Present and future humid heat extremes and population exposure in Türkiye
Türkiye'de mevcut dönem ve gelecekteki nemli aşırı sıcaklıklar ve nüfus maruziyeti
- Tez No: 803863
- Danışmanlar: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 81
Özet
Literatür, nemli aşırı sıcakların kuru aşırı sıcaklardan daha fazla şiddetleneceğini bildirmektedir. Bu durum, insan termoregülasyonu ve ısı stresi arasındaki fiziksel etkileşimin anlaşılması açısından fizyolojik olarak nemli sıcaklığın kuru sıcaklıktan daha alakalı olduğu göz önüne alındığında, ısı stresini sıcaklık ve nem kombinasyonu ile ifade eden ölçümlerin kullanımını teşvik ederek nemli sıcaklığın özelliklerini detaylandıran çalışmaları desteklemektedir. Küresel projeksiyonlar, nemli aşırı sıcakların sıklığının ve yoğunluğunun halihazırda bunlara maruz kalan kara alanlarında artacağını ve daha yüksek enlemlere doğru genişleyerek orta enlemleri bu aşırı sıcaklıklar için kritik noktalar haline getireceğini göstermektedir. Bu nedenle, bu aşırı uçlardaki değişikliklerin potansiyel olarak küresel nüfusun büyük bir bölümünü hastalık ve ölümlere yol açabilecek nemli aşırı sıcaklara maruz kalma riski altında bırakabileceği göz önüne alındığında, bölgesel özelliklerinin kapsamlı bir şekilde açıklanması çok önemli hale gelmektedir. Bu noktada, risk ve kırılganlık değerlendirmeleri kaçınılmaz olarak nüfusun sıcaklık stresine maruziyetinin ölçülmesini de içermektedir. Çalışmalar, halihazırda nemli aşırı sıcaklara küresel maruziyette dramatik bir artış olmuştur. Türkiye, nemli ısı stresine duyarlı bir bölge olan Orta Doğu'ya yakın Doğu Akdeniz'de yer almaktadır. Burada, Temsili Konsantrasyon Rotaları 8.5 (RCP8.5) emisyon senaryosu altında Küçük Ölçekli Modelleme Konsorsiyumu'nun (COSMO-CLM) hidrostatik olmayan mezo ölçekli modelinden elde edilen uzun vadeli simülasyonları kullanarak, nemli aşırı sıcaklıkların yoğunluğu ve sıklığındaki mevcut durum ve öngörülen değişikliklerin ilk analizini gerçekleştiriyor ve Türkiye'deki nüfusun bu aşırı sıcaklıklara maruziyetini ölçüyoruz. Modeli, CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project Phase 5) işbirliğinin bir katılımcısı olan Max Planck Meteoroloji Enstitüsü'nün (MPI-ESM-LR) birleşik iklim modeli tarafından sağlanan küresel simülasyonlarla zorluyoruz. İlk olarak, küresel simülasyonlar Doğu Akdeniz bölgesinin çoğunu içeren bir alanda 0.44° yatay çözünürlüğe indirgenmiştir. Bu simülasyonlar daha sonra Türkiye üzerinde 0,11° yatay çözünürlüğe indirgenmiştir. Genel model konfigürasyonu 0,44° ve 0,11° simülasyonları arasında aynıdır. Mikrofizik parametrizasyonu için İki kategorili Buz Şemasını; Konveksiyon parametrizasyonu için Tiedtke, 1989'un şemasını; Radyasyon parametrizasyonu için Ritter ve Geleyn, 1992'nin şemasını; Yer yüzeyi parametrizasyonu için TERRA-ML'nin şemasını ve türbülanslı kinetik enerji tabanlı bir yüzey transfer şemasını kullanıyoruz. Simülasyonlar, referans dönemi için 1979-2005 yılları ve gelecek dönem için 2024-2100 yılları için çalıştırılmıştır. Analizimiz, iklim değişikliğine karşı dayanıklılığı göz önünde bulundurularak, saatlik sıcaklık ve bağıl nemden hesaplanan nemli ısı stresi ölçütü olarak saatlik yaş termometre sıcaklığına (WBT) dayanmaktadır. Ön işlemenin bir parçası olarak, ERA5-Land reanaliz verilerini kullanarak uzun vadeli iklim simülasyonlarımızı doğruluyoruz ve Ampirik Kuantil Haritalama (EQM) prosedürünü kullanarak saatlik WBT değerlerini ilgili reanaliz verilerine karşı yanlılık düzeltmesi yapıyoruz. EQM, model çıktı kantillerini gözlemlenen kantillerle eşleştirmek için önceden belirlenmiş birkaç ampirik kantili dikkate alan dağılımsız bir düzeltme yöntemidir. ERA5-Land reanalizinden ve model çıktısından elde edilen WBT'nin ampirik CDF'leri burada 0,03, 0,10, 0,16, 0,23, 0,30, 0,36, 0,43, 0,50, 0,56, 0,63, 0,70, 0,76, 0,83, 0,90, 0,96 ve 1,00 olmak üzere manuel olarak tanımlanmış 16 kantil kullanılarak hazırlanmıştır. EQM yaklaşımının kullanımı, farklı kantillerdeki model davranışındaki uyumsuzluktan kaynaklanmaktadır. Şöyle ki, çalışmamızda WBT ile karakterize edilen nemli aşırı sıcaklıklar etki alanımız üzerinde önemli ölçüde fazla tahmin edilirken, medyan değerler genellikle düşük tahmin edilmektedir. EQM yaklaşımına alternatif olarak, basit bir doğrusal ölçekleme (linear scaling) yanlılık düzeltme yaklaşımı kullanıyoruz. Ancak bu yaklaşım, günün her saati için tek bir günlük düzeltme faktörü uyguladığından bizim çalışmamız için iyi sonuçlar vermemiştir. Türkiye'nin iklimsel olarak farklı bölgelerindeki nemli ısı stresinin üç yönüne odaklanıyoruz. İlk olarak, baz (1985-2005) ve projeksiyon dönemlerini (2081-2100) tanımlıyor ve her dönemdeki nemli sıcaklık aşırılıklarının sıklığı ve yoğunluğundaki değişiklikleri ölçüyoruz. Kullandığımız yoğunluk ölçütleri arasında WBT'nin yıllık ortalama 99. kantil (q99) ve maksimum (max) değerleri yer alırken, mutlak ve göreceli ısı stresi eşiğine dayalı üç farklı sıklık ölçütü kullanıyoruz: 27°C'nin üzerindeki gün sayısı (NOD27), 27°C'nin üzerindeki ardışık saat sayısı (NOCH27) ve yerel q99'un üzerindeki ardışık saat sayısı (NOCHQ99). Ayrıca, yıllık ortalama medyan ve maksimum WBT değerlerindeki eğilimlerin benzer olup olmadığını ortaya koyuyor ve değilse, ne ölçüde farklılık gösterdiklerini ölçüyoruz. Bunun için, bir zaman serisindeki değerleri ampirik olarak sıralayarak trendlerin istatiksel olarak önemli olup olmadığını belirlemek için Mann-Kendall trend testini kullanıyoruz. İkinci olarak, Türkiye'nin iklimindeki değişimin nemli ısı stresinin günlük klimatolojisini etkileyip etkilemediğini, en yüksek seviyeye ulaştığı saatlere odaklanarak belgeliyoruz. Son olarak, belirli bir bölgedeki nüfus miktarını o bölgede aşırı WBT koşullarının meydana geldiği bir yıldaki gün sayısıyla çarparak maruziyeti karakterize eden ve yaygın olarak kullanılan kişi-gün yaklaşımını kullanarak, Türkiye'deki hem nüfusun hem de iklimin gelişmesine izin vererek, baz ve projeksiyon dönemleri boyunca belirli WBT eşiklerine yıllık olarak maruz kalan insan sayısındaki uzun vadeli değişiklikleri değerlendiriyoruz. Aşırı nemli ısı stresinin toplam maruziyete göreceli katkısını izole etmek için, analiz edilen dönem boyunca nüfus sayısını veya iklimi sabit tuttuğumuz alternatif bir maruziyet analizi gerçekleştiriyoruz. Şöyle ki, iklim bileşeni, nüfus 2005 yılında kalırken Türkiye'nin ikliminin geleceğe doğru evrilmesi durumunda nüfus maruziyetindeki değişim olarak yorumlanabilirken, toplam maruziyetin nüfus bileşeni fiziksel olarak, nüfus geleceğe doğru evrilirken iklimin baz dönemdeki son beş yılın ortalamasında kalması durumunda nüfus maruziyetindeki değişimi ifade etmektedir. K-means Kümeleme algoritmasını kullanarak nemli sıcaklık aşırılıklarında ve nüfus maruziyetinde sadece ülke çapındaki değişiklikleri değil, aynı zamanda bölgesel yönlerini de tasvir ediyoruz. Bu algoritmayı, iklimsel olarak farklı yedi bölgeyi oluşturmak için kullanıyoruz. Bu bölgelerin kümelenmesi için saatlik 2 metre sıcaklık, 2 metre bağıl nem ve toplam yağıştan elde edilen model çıktıları, bir yıldaki her mevsim için mevsimsel değerlere toplanıp baz dönem boyunca ortalaması alınmıştır. Çalışma boyunca K-means bölgelerinin her biri coğrafi konumlarına ve su kütlelerine yakınlıklarına göre adlandırılmıştır. Örneğin, ülkenin batı kıyısıyla sınırlı olan bölge RWC (yani Batı Kıyı Bölgesi; Region West Coastal) olarak adlandırılırken, ülkenin güney çeperlerinde yer alan bölge RSC (yani Güney Kıyı Bölgesi; Region South Coastal) olarak adlandırılır. Kavramsallaştırılmış K-means bölgelerini yukarıda açıklanan her bir analize uyguluyor ve nemli ısı stresi ve maruziyetindeki bölgesel değişiklikleri gösteriyoruz. İlk olarak, sonuçlarımız baz döneme kıyasla ülkenin büyük bölümünde, özellikle de kıyılarda q99 ve max değerlerinde kayda değer bir artış olduğunu göstermektedir. WBT'nin yıllık ortalama q99 değeri projeksiyon döneminde bazı bölgelerde 29°C'yi aşmakta, yıllık ortalama maksimum değerler ise aynı dönemde tehlikeli ısı stresi eşiği olan 31°C'ye yaklaşmaktadır. Bu dönemde, ülkenin tüm zamanlardaki maksimum WBT değeri 33,8°C'ye ulaşarak neredeyse ölümcül eşiğe yaklaşmıştır. Bölgesel olarak, en yüksek WBT değerleri, hem baz hem de projeksiyon dönemlerinde Türkiye'nin toplam nüfusunun sırasıyla %21,41 ve %25,60'ını oluşturan RSC ve RWC'de görülmektedir. Nemli ısı stresinin sıklığı da benzer değişiklikler göstermekte olup, NOD27 ve NOCH27'nin, çoğu kıyı bölgesi olan Adana, Antalya, İzmir, Sakarya, Ordu ve Diyarbakır'ın çevresini içeren coğrafi olarak geniş bir alanda sırasıyla 45 gün ve 12 saate kadar artması öngörülmektedir. Bu bölgelerin çoğunda, her yıl yaklaşık bir ay şiddetli nemli ısı stresi yaşanması ve ülke yüzölçümünün yaklaşık %56'sının en az on saat daha yerel üst kuyruk sıcaklık stresi koşulları yaşaması beklenmektedir. Bu durum, coğrafi olarak Adana şehriyle sınırlı olan baz dönemdeki NOD27 ve NOCH27 ile tezat oluşturmaktadır. Bulgularımız, bu bölgelerde nemli aşırı sıcakların hüküm sürme olasılığının daha yüksek olduğunu göstermektedir. İkinci olarak, projeksiyonlar günün her saatindeki WBT değerlerinin baz döneme göre en az iki santigrat derece daha yüksek olacağını göstermektedir. Ancak bu artış, yaklaşık olarak öğleden sonra (gece) meydana gelen maksimum (minimum) WBT değerleri için daha belirgindir. Genel olarak, nemli ısı stresinin günlük döngüsünün tepkisi farklı iklimlere sahip bölgeler arasında tutarlıdır. Son olarak, çoğu kıyı bölgesinde yoğunlaşan şiddetli nemli ısı stresine maruz kalan insan sayısında 1,6 milyon kişi-gün kadar önemli bir artış olduğunu açıklıyoruz. RSC, RWC ve RNC bölgelerinde yaşayan bireylerin nemli ısı stresine en yüksek düzeyde maruz kalması beklenmektedir; baz dönemden projeksiyon dönemine kadar nemli ısı stresine maruz kalan bölgesel ortalama nüfus neredeyse iki büyüklük mertebesine ulaşmaktadır. Özellikle RWC, projeksiyon döneminde maksimum ortalama 29°C'ye, baz dönemdeki maksimum ortalama 27°C'ye maruz kalmanın yedi katına kadar maruz kalmaktadır. Öte yandan, baz dönemde aynı koşullara maruz kalma nadiren 1 milyon kişi-gününü aşmakta ve coğrafi olarak Adana'nın çevresi ve Marmara Denizi'nin doğusu ile sınırlı kalmaktadır. Toplam maruziyetin nüfus bileşeninin maruziyetteki artışa katkısı iklim bileşeninin katkısına kıyasla küçük olduğundan, maruziyette öngörülen artış esas olarak iklim değişikliğinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, Türkiye nüfusunun yüzde 20'sinden fazlası en az bir saat boyunca şiddetli nemli ısı stresiyle karşı karşıya kalabilirken, bu oran art arda en az beş saat boyunca yüzde 4,15'e düşmektedir; bu da insanların yalnızca daha yoğun nemli ısı stresine katlanmakla kalmayıp, aynı zamanda bu koşullara saatlerce maruz kalacağını göstermektedir. Bulgularımız, özellikle Türkiye'nin kıyı şeridinde nemli aşırı sıcaklardaki artışa ve bunun sonucunda nüfusun bu koşullara maruz kalmasına dikkat çekmekte ve toplum ile ekonomi ve turizm dahil olmak üzere çok sayıda sektör için önemli sonuçlar doğurmaktadır.
Özet (Çeviri)
Literature communicates that humid heat extremes will intensify more than dry heat extremes. This favors studies that elaborate on the characteristics of humid heat, given that it is physiologically more relevant than dry heat in terms of understanding the physical interaction between human thermoregulation and heat stress, promoting the use of metrics that express heat stress through a combination of temperature and humidity. Global projections show that the frequency and intensity of humid heat extremes will surge in the land area already subject to them and expand toward the higher latitudes, making the mid-latitudes hotspots for these extremes. Therefore, a thorough explanation of their regional characteristics becomes crucial, given that the changes in these extremes can potentially render a large proportion of the global population at risk of being exposed to humid heat extremes that can drive morbidity and mortality. At this point, the risk and vulnerability assessments inevitably include quantifying population exposure to heat stress. Studies show that there has already been a dramatic increase in global exposure to humid heat extremes. Türkiye is located in the Eastern Mediterranean near the Middle East, a region susceptible to humid heat stress. Here, we perform the first analysis of present and projected changes in the intensity and frequency of humid heat extremes and quantify the population exposure to these extremes in Türkiye, using long-term simulations from the non-hydrostatic mesoscale model of Consortium for Small-scale Modeling (COSMO-CLM) under the Representative Concentration Pathways 8.5 (RCP8.5) emission scenario. We force the model with the global simulations provided by the coupled climate model of the Max Planck Institute for Meteorology (MPI-ESM-LR), a participant in the CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project Phase 5) collaboration. First, global simulations are downscaled to 0.44° horizontal resolution in a domain that includes the majority of the Eastern Mediterranean region. These simulations are then further downscaled to 0.11° horizontal resolution over Türkiye. The overall model configuration is the same between the 0.44° and 0.11° simulations. We use the microphysics scheme of the 2-category Ice Scheme; the convection scheme of Tiedtke, 1989; the radiation scheme of Ritter and Geleyn, 1992; the land surface scheme of TERRA-ML; and a turbulent kinetic energy-based surface transfer scheme. The simulations are run for the years 1979-2005 for the reference period and for the years 2024-2100 for the future period. Our analysis is based on the hourly wet-bulb temperature (WBT) as the humid heat stress metric, considering its robustness to climate change, calculated from hourly temperature and relative humidity. As part of preprocessing, we verify our long-term climate simulations using the ERA5-Land reanalysis data, and we bias-correct the hourly WBT values against the corresponding reanalysis data using an Empirical Quantile Mapping (EQM) procedure. The EQM is a distribution-free correction method that takes into account several predetermined empirical quantiles to map the model output quantiles to the observed quantiles. The empirical CDFs of the WBT from the ERA5-Land reanalysis and model output are here approximated using 16 manually defined quantiles, which are 0.03, 0.10, 0.16, 0.23, 0.30, 0.36, 0.43, 0.50, 0.56, 0.63, 0.70, 0.76, 0.83, 0.90, 0.96, and 1.00. The use of the EQM approach stems from the mismatch in the model behavior in different quantiles. Namely, while the humid heat extremes, characterized in our study with the WBT, are significantly overestimated over our domain, the median values are generally underestimated. As an alternative to the EQM approach, we utilize a simple linear scaling bias-correction approach. However, this approach did not produce good results in our case, as it applies a single daily correction factor for every hour of the day. We focus on three aspects of humid heat stress across the climatologically different regions of Türkiye. First, we define base (1985-2005) and projection periods (2081-2100) and quantify changes in the frequency and intensity of the humid heat extremes in each period. The intensity metrics we use include the average annual 99th quantile (q99) and maximum (max) values of the WBT, and we use three different frequency metrics based on an absolute and a relative heat stress threshold, which are the number of days above 27°C (NOD27), the number of consecutive hours above 27°C (NOCH27), and the number of consecutive hours above local q99 (NOCHQ99). And we reveal whether the trends in the average annual median and maximum WBT values are similar, and if not, we quantify to what extent they differ. For this, we employ the Mann-Kendall trend test, which determines the significance of trends by empirically ranking the values in a timeseries. Second, we document whether the change in the climate of Türkiye affects the diurnal climatology of humid heat stress, focusing on the hours at which it maximizes. Finally, using the commonly used person-days approach, which characterizes exposure by the multiplication of the population amount in a specific region by the number of days in a year when extreme WBT circumstances occur in that region, we evaluate the long-term changes in the number of people annually exposed to specific WBT thresholds throughout the base and projection periods, allowing both the population and climate in Türkiye to evolve. To isolate the relative contribution of the extreme humid heat stress to the total exposure, we perform an alternative exposure analysis in which we hold either the population count or the climate constant throughout the analyzed period. Namely, while the climate component can be interpreted as the change in population exposure if the climate of Türkiye evolved into the future while the population kept at the year 2005, the population component of the total exposure physically refers to the change in population exposure if the climate kept at the average of the last five years in the base period while the population evolved into the future. We portray not only the nationwide changes in the humid heat extremes and population exposure but also their regional aspects by exploiting the K-means clustering algorithm. We use this algorithm to conceptualize seven climatologically different regions. The model outputs from the hourly 2-meter temperature, 2-meter RH, and total precipitation are aggregated to seasonal values for each season in a year and averaged over the base period for the clustering of these regions. Each of the K-means regions is named according to their geographical location and proximity to water bodies. For instance, the region restricted to the country's western coast is named RWC (i.e., Region West Coastal), and the region located along the southern peripheries of the nation is named RSC (i.e., Region South Coastal). We apply the conceptualized K-means regions to each analysis explained above and show regional changes in humid heat stress and exposure. First, our results suggest a remarkable increase in q99 and max values across most of the country, particularly along the coasts, relative to the base period. The average annual q99 of the WBT exceeds 29°C in some regions in the projection period, with the average annual max values approaching the dangerous heat stress threshold of 31°C during the same period. The country's all-time maximum WBT reaches 33.8°C, a nearly deadly condition. Regionally, the highest WBT values are seen in RSC and RWC, which account for 21.41% and 25.60% of Türkiye's total population, respectively, in both the base and projection periods. The frequency of humid heat stress shows similar changes as well, with the NOD27 and NOCH27 projected to increase as much as 45 days and 12 hours, respectively, in a geographically wide area, which includes the surroundings of Adana, Antalya, Izmir, Sakarya, Ordu, and Diyarbakir, most of which are coastal locations. Over most of these regions, nearly a month every year is anticipated to experience severe humid heat stress, and almost 56% of the country's land area will experience local upper tail heat stress conditions for at least an additional ten consecutive hours. This is in contrast to the NOD27 and NOCH27 in the base period, which are geographically constrained to the city of Adana. Our findings convey the higher likelihood of humid heat extremes reigning within these regions. Second, the projections show that the WBT values at every hour of the day will be at least two degrees Celsius greater than in the base period. However, this increase is more pronounced for the maximum (minimum) values of the WBT, which approximately occurs during the afternoon (nighttime). Overall, the response of the diurnal cycle of humid heat stress is consistent across regions with different climates. Finally, we explicate a significant rise in the number of people exposed to severe humid heat stress, concentrated along most coastal regions, by as much as 1.6 million person-days. The individuals living in the RSC, RWC, and RNC regions are expected to face the highest levels of exposure to humid heat stress, with regional mean population exposure to humid heat stress amounting to almost two orders of magnitude from the base period to the projection period. RWC, in particular, is subject to maximum mean exposure to 29°C in the projection period up to seven times the maximum mean exposure to 27°C in the base period. On the other hand, the exposure to the same conditions in the base period seldom exceeds 1 million person-days and is geographically limited to the southeastern city of Adana and east of the Marmara Sea. The projected rise in exposure is primarily due to climate change, as the contribution of the population component of the total exposure to the surge in exposure is minor compared to the contribution of the climate component. Further, more than 20% of Türkiye's population may confront severe humid heat stress for at least one hour, with that percentage falling to 4.15 percent for at least five consecutive hours, which indicates that people will not only endure more intense humid heat stress but also be exposed to these conditions consecutively over a period of many hours. Our findings highlight the increase in humid heat extremes and the resulting population exposure to these circumstances, especially along Türkiye's coast, and have important ramifications for society and numerous industries, including the economy and tourism.
Benzer Tezler
- Kentsel tasarımda güneş enerjisinden optimum yararlanma konusunda bir araştırma ve İstanbul'da çeşitli uygulama örnekleri
Başlık çevirisi yok
MESTURE BULDURUR(AYSAN)
- Türkiye iklim koşullarındaki veri merkezlerinin soğutulmasında ekonomizer kullanımının enerji tasarrufu ve ekonomik potansiyel değerlendirmesi
Energy savings and economic potential assessment of economizer use for cooling data centers in Turkey's climate conditions
OZAN GÖZCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLKER MURAT KOÇ
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAMZA SALİH ERDEN
- Sürdürülebilir bina tasarımında iklim verilerinin değerlendirilmesi
Climatic considerations in sustainable building design
ÖZLEM GÜNEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLGE IŞIK
- Gece soğutmasının bina ısıl performansına etkilerinin saatlik analiz programı ile incelenmesi
Investigation of the effects of night cooling on building thermal performance with hourly analysis program
İSMAİL ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT ÇAKAN