Geri Dön

Assessing the impact of climate change on Euphrates and Tigris discharge using distributed hydrologic model

İklim değişikliğinin Fırat ve Dicle nehir akımları üzerindeki etkisinin dağılı hidrolojik modelle değerlendirilmesi

  1. Tez No: 887041
  2. Yazar: EMRE SALKIM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL, DOÇ. DR. MEHMET CÜNEYD DEMİREL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Meteoroloji, Meteorology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 99

Özet

Su insanlığın seçimlerini şekillendiren, refahı sembolize eden, medeniyetlerin yükselişine ve yok olmasına sebep olabilen ve en önemlisi yaşamın sürdürülebilmesi için hayati önem taşıyan sonlu bir kaynaktır.“İki nehir arasındaki topraklar”anlamına gelen Mezopotamya, tarihte su açısından hem bolluğu hem de yokluğu yaşamış bir bölge olarak bilinir. Bu topraklar, Sümerler'den Osmanlılar'a kadar pek çok uygarlığa ev sahipliği yapmış ve onları tarih boyunca kuraklıkla sınamıştır. Bolluk zamanlarında, tarımsal üretimin doğuşuna, günümüze uzanan sulama tekniklerinin geliştirilmesine ve hidroliğin ilk yasalarını kullanarak kanallar inşa edilişine bu bölgenin tarihinde rastlanır. Ancak kuraklığın hâkim olduğu zamanlarda önemli toplumsal çöküşler, salgın hastalıklar ve savaşlar da yine bu bölgede kaydedilmiştir. Binlerce yılı kapsayan arkeoloji ve paleoiklim verileri, aşırı sıcaklar, yüksek toz salımı ve yağışa bağımlı tarımdaki aksamalarla kitlesel göçler arasında bir ilişki olduğunu göstermektedir. Türkiye, Suriye, Irak ve İran'ın sınırları dahilinde bulunan Fırat ve Dicle Havzası (FDH) küresel iklim değişikliği etkilerinin dünya üzerinde en erken ve en belirgin şekilde gözlemleneceği hassas havzalardan biridir. FDH'nin hidroiklimine dair gerçekleştirilmiş araştırmalar incelendiğinde, bölgede karşılaşılan kurak dönemlerin sıklığında artışların meydana geldiği ve bu dönemlerin sürelerinin uzadığı görülmektedir. Sıklaşan ve süresi uzayan kurak dönemlerin yol açtığı su bütçesi açıklarını gidermek içinse sulama alanları genişlemekte ve baraj sayılarında artış gözlemlenmektedir. Fakat bu gelişmeler su, atmosfer ve toprak üçlüsü arasındaki enerji bütçesinin dengesiyle oynamaktadır. FDH'deki sulama alanlarının genişlemesi, literatürdeki çalışmalarda detaylı bir biçimde ortaya konduğu üzere, daha yüksek buharlaşma oranlarını beraberinde getirmektedir. Diğer bir yandan, yağışların azalması ve kar örtüsünün erimeye başlama mevsiminin ilkbahardan kışa kayması bölgenin suya bağımlı tarımı üzerinde baskın bir etki kurmaktadır. Değişen su dengesi, akış rejimlerinin zayıflamasına neden olmakta, zayıflayan akış rejimleri ise sadece sucul ekosistemi ve su kalitesini olumsuz yönde etkilemekle kalmayıp (örneğin deniz suyunun Şattülarap Nehri'nin yatağına karışması) havzada bulunan bataklıkların da kurumasına yol açmaktadır. Bugün havzadaki bataklık alanlar, artan toprak tuzluluğu ve toprak kaymaları sebebiyle çölleşmeyle karşı karşıyadır. Çölleşme; tarımı, ekolojiyi ve havza refahını tehdit etmektedir. Ayrıca bu durum, bölgenin yakın ve uzak tarihinde izine defalarca rastlanan sağlıkla ilgili sorunlara ve günlük yaşamda aksaklıklara yol açan atmosferik toz konsantrasyonunun artışına da sebep olmaktadır. Yarı kurak iklimi ve havza paydaşları arasındaki su yönetişimi gayretleri göz önünde bulundurulduğunda, bölgedeki hidroiklim araştırmalarının sürekliliği ve niteliği yukarıda sıralanan sebepler dolayısıyla büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, gerçekleştirilmiş araştırmamız, havzaya dair literatürdeki benzerlerine kıyasla dahyüksek çözünürlüklü ve daha fazla sayıda bölgesel modeli incelemeyi, elde ettiği yanlılığı giderilmiş topluluk verisini gelişmiş ve daha önce havzanın geneli üzerinde kullanılmamış yeni bir hidrolojik modelle değerlendirerek hidrolojik çıktılar üretmeyi amaçlamıştır. Bölge üzerinde gerçekleştirdiğimiz iklim araştırmaları esnasında Koordineli Bölgesel İklim İndirgeme Deneyi (Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment, CORDEX) dahilindeki üç farklı yer sistem modelinden (HadGEM2, MPI-ESM ve NorESM1) indirgenen üç farklı bölgesel iklim modelinin (CLMcom-KIT-CCLM5-0-15, GERICS-REMO2015 ve ICTP-RegCM4-7) (toplam dokuz) simülasyonları, 21. Yüzyıl için Fırat ve Dicle Havzası özelinde Temsili Konsantrasyon Yolları (Representative Concentration Pathways) 2.6 ve 8.5 senaryolarına bağlı olarak incelenmiştir. Havzanın iklim incelemeleri esnasında sıcaklık ve yağış değişkenleri 1986-2005 referans dönemi, 2021-2040 yakın dönem, 2051-2070 orta dönem ve 2081-2098 ileri dönem olmak üzere ilgili bölgesel model projeksiyonları dahilinde araştırılmıştır. Modellerin referans dönemini tahmin etmedeki başarısı, geriye yönelik gözlem verileriyle zenginleştirilmiş ERA5 modeli analizleriyle kıyaslamalar yapılarak ortaya konmuştur. Çalışmada hidrolojik modellemede kullanılmak üzere her iki senaryo için ayrı, eşit ağırlıklı ortalamalardan oluşan, günlük ortalama, minimum ve maksimum sıcaklıklar ile toplam yağış veri setleri oluşturulmuştur. Oluşturulan veri setlerinin indirgendikleri yer sistem modeli kaynaklı yanlılıkları, ilgili değişkenin ERA5 Reanalizleri'ndeki karşılıklarına sadık kalınarak, parametrik olmayan nicelik haritalaması metodu ile giderilmiştir. Veriler arasında yer alan günlük minimum ve maksimum sıcaklıklar çalışmada kullanılan hidrolojik modelin ihtiyaç duyduğu potansiyel evapotranspirasyon (PET) verisi hesabında kullanılmıştır. PET hesaplamaları esnasında FDH'deki radyasyon verisi eksiklikleri sebebiyle Hargreaves-Samani (HS) Metodu benimsenmiştir. Araştırmanın birinci bölümünü oluşturan yanlılık düzeltmesi gerçekleştirilmiş çoklu model topluluğu verileri FDH üzerindeki sıcaklıkların yüzyılın sonuna kadar her iki senaryoda da arttığını göstermiştir (RCP2.6 için 1.5°C'ye ve RCP8.5 için 5.7°C'ye kadar). FDH'nin yarı kurak karakteristiği sebebiyle, havza üzerindeki yağış ve potansiyel evapotranspirasyondaki değişimler oldukça düşük değerlere sahiptir. (RCP 2.6 ve RCP 8.5 için 0.1 mm/gün'e kadar artış). Elde edilen veriler, havzanın 21. yüzyıldaki iklimsel seyrini ortaya koymakta, CORDEX ailesi bünyesinde gelişmekte olan veri setleri (örneğin CMIP6) için kapsamlı bir biçimde geriye dönük kıyaslama fırsatı sunmakta ve bölgedeki veri rehaveti kaynaklı oluşabilecek yanlılıklara dair bilimsel bir hafıza sağlamaktadır. Araştırmanın ikinci bölümünde ise, birinci bölümde hazırlanan çoklu model topluluğu verileri Helmholtz Çevre Araştırmaları Merkezi (UFZ) tarafından geliştirilen Orta Ölçekli Hidrolojik Model'inin (mHM) koşturulmasında kullanılmıştır. mHM grid tabanlı bir model olarak; Avrupa, Afrika ve Asya'daki birçok nehir havzasının yanı sıra Türkiye'de de Karasu Nehri üzerinde gerçekleştirilen çeşitli çalışmalarla test edilmiştir. Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning (HBV) ve Variable Infiltration Capacity (VIC) gibi literatürdeki yaygın hidrolojik modellerin çalışma esaslarına dayanan mHM; aktüel evapotranspirasyon, kar birikimi ve erimesi, toprak nemi dinamikleri, süzülme, yüzey akışı ve nehir debilerindeki değişimler gibi süreçlere dair yüksek çözünürlüklü sonuçlar elde etmek için kullanılmaktadır. Model, saatlik ve günlük meteorolojik verilerle (sıcaklık, yağış, potansiyel evapotranspirasyon, vb.) toprak dokusu, bitki örtüsü gibi havzanın fiziksel özelliklerini ortaya koyan jeomorfolojik verileri de dikkate alarak çalışmaktadır. Kendinden önceki hidrolojik modellerin çalışma prensiplerini geliştirmeyi başaran mHM, çok ölçekli parametre yerelleştirme (MPR) tekniği aracılığıyla aşırı parametrizasyonu önler ve bu süreçleri çalışma alanının genelinde değil, grid bazında yönetir. Modelin bu yeteneği bir yandan hesaplama gücünden tasarruf sağlarken diğer bir yandan da ayrıntılı sonuçlar üretir. MPR, özünde farklı çözünürlüklerdeki girdiler arasında iletişim kurar ve model çalışmaları sırasında farklı çözünürlüklerdeki meteorolojik ve jeolojik katmanlar arasında eşleştirmeler gerçekleştirir. Böylece, yüksek çözünürlüklü veriler transfer fonksiyonları yardımıyla kilometre altı ölçeklerden yüzlerce kilometreye kadar çeşitli çözünürlüklerdeki verilerle uyumlu hale gelir. mHM modelinde kullanılan meteorolojik, hidrolojik ve jeomorfolojik parametreleri içeren katmanlar Şekil 1'de gösterilmektedir. mHM, bu üç seviye arasında veri transferi yaparak farklı parametreleri çeşitli çözünürlüklerde ele almaktadır. Seviye-0 jeomorfolojik veri katmanını temsil etmektedir. Diğer üç katman arasında en ince çözünürlükte yükseklik, eğim, toprak ve arazi kullanımı gibi parametreleri içerir. Seviye-1 hidrolojik modelin çalıştığı katmandır ve model çıktılarının oluşturulduğu çözünürlük seviyesini temsil eder. Son olarak, Seviye-2 meteorolojik katmandır. Hesaplamalar sırasında kullanılacak yağış, sıcaklık ve potansiyel evapotranspirasyon parametrelerini yönetir. Modele farklı çözünürlüklerde beslenen Seviye-0 ve Seviye-2, sırasıyla üst katman (Seviye-2) için yukarı ölçekleme ve alt katman (Seviye-0) için aşağı ölçekleme ile eşleştirilir. Ayrıca MPR sayesinde kalibrasyon sırasındaki işlem hacmi önemli ölçüde azalmaktadır. Devlet Su İşleri'nden (DSI) alınan akım gözlem istasyonları verilerinin sürekliliğindeki, veri güvenliği kaynaklı, eksikler sebebiyle model kalibrasyonunda çeşitli zorluklarla karşılaşılsa da model koşularından elde edilen veriler literatürdeki benzer çalışmaların sonuçlarıyla uyumlu değerler üretmiştir. Ek olarak belirtilmelidir ki, araştırma çıktıları ve bilimsel edinimleri ileride, Türkiye özelinde, mHM ile yürütülebilecek daha kapsamlı çalışmalara umut vaat eder nitelikte olup koşuların gerçekleştirildiği havzanın büyüklüğü göz önünde bulundurulduğunda ulusal bütüncül hidrolojik modelimizin geliştirilmesine dair öncül tecrübeler sunabilecektir. Modelin ürettiği veriler incelendiğinde özellikle havzanın yüksek kesimlerinde depolanan karın erime mevsiminin her iki iklim senaryosunda da kuzey yarım kürenin ilkbaharından kışına doğru kaydığı görülmüştür. Bu durum özellikle havzadaki tarım ürünlerinin hasat mevsimini değiştireceğinden havzadaki gıda güvenliğine dair bir uyarı niteliğindedir. Yüzyılın sonunda artmaya devam eden sıcaklıklar yüzeyde akışa geçen su miktarını kış mevsimi için artırırken ilkbahar mevsiminde önemli su bütçesi açıklarına yol açmıştır. Çıktı olarak 0.0150 çözünürlüklü veriler üreten mHM, havzanın Türkiye sınırlarında ilkbahar mevsimi için yüzeyde akışa geçen suda grid başına RCP2.6 senaryosuna göre 150 milimetreyi bulan azalmalara işaret ederken, RCP8.5 senaryosuna göre 320 milimetreyi aşan azalmalar kaydedilmiştir. Benzer azalmalar her iki senaryo dahilinde modelin kar örtüsü üzerinde yaptığı tahminlerde de görülmektedir. RCP 2.6 senaryosuna göre kar kalınlığındaki azalmalar Türkiye'nin güneydoğu kesimlerinde 900 milimetre seviyesine ulaşırken RCP 8.5 senaryosunda 1000 milimetre üzerinde azalmalar görülmektedir. Bu değerler nicelik olarak çeşitli gridlerde %100'e ulaşan azalmalar olduğuna işaret etmektedir ki, buradan yola çıkarak FDH özelinde kar örtüsüne dair daha hassas çalışmaların gerekliliği ön plana çıkmaktadır. mHM çıktıları nehir Fırat-Dicle Ağı debileri özelinde RCP2.6'ya göre yüzyılın sonuna kadar Fırat Nehri için yaklaşık %15'e varan artışlara ve Dicle Nehri için %10'a varan azalmalara işaret etmektedir. RCP8.5 senaryosu araştırmanın son dönemi için nehir debilerinde %25 oranında daha şiddetli azalmalar sergilemektedir. Ancak, her iki senaryoda da yüzyılın sonuna doğru, havzanın güneydoğu kesimlerinde artan yağış miktarına paralel olarak, nehir debilerinde %25 mertebesine varan bir artış olduğu görülmektedir. Belirtilen bölgedeki yağışların artışı, sıcaklıklardaki yükselişle beraber Basra Körfezi'nin başlangıcında artması beklenen konvektif hareketlere bağlanmaktadır. Sonuç olarak, özellikle artan sıcaklıklar ve buna bağlı olarak FDH'nin su bütçesinde meydana gelen pertürbasyonlar, havzanın su, gıda ve enerji üçlüsü sürdürülebilirliğini, bölgenin refahını ve kalkınma çabalarını tehdit etmektedir. Gerçekleştirilen çalışma bu bağlamda çevre kaynaklı potansiyel riskleri ortaya koymaktadır. Havzayı paylaşanlar tarafından literatüre kazandırılan bilimsel çalışmalar ortak su yönetimi çabalarındaki iş birliklerinin sayısını artıracak ve ilgili süreçleri kolaylaştıracaktır. Gelecekteki çalışmalara ışık tutmayı ve havzaya dair bilimsel hafızanın gelişmesini hedefleyen bu araştırma aynı zamanda sahip olduğu yenilikçi yaklaşımlarla özgün çıktılar üretmeyi amaçlamıştır.

Özet (Çeviri)

Hosting Türkiye, Syria, Iraq, and Iran, Euphrates-Tigris Basin is a significant case facing the earliest consequences of climate change. Considering its semi-arid nature and lack of hydro-political governance among its riparians, consistency of hydroclimatic research over the region is vital. Accordingly, in the first part of this research, historical and future simulations of three regional climate models (RCMs) (CLMcom-KIT-CCLM5-0-15, GERICS-REMO2015, and ICTP-RegCM4-7) dynamically downscaled from three earth surface models (ESMs) (HadGEM2, MPI-ESM, and NorESM1) (total of nine) by Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment's Africa domain (CORDEX- Africa) were evaluated over the Euphrates and Tigris Basin (ETB). Biases of these RCMs were showcased by comparing the reference period to the corresponding ERA5 reanalysis, considering the mean daily surface temperature at 2 meters (°C) and daily total precipitation (mm/day). Distinctions emerge in the analysis of bias maps. Seasonal analysis of the RCMs during the reference period further exhibits these distinctions. Multi- model ensembles (MME) were created to increase the certainty of future predictions regarding RCP2.6 and RCP8.5. MMEs outperform each RCM in terms of hindcasting. To overcome remaining systematic biases and preserve the extremes for future periods, bias corrections were carried out using empirical quantile mapping. Corrected data indicate increased temperatures for ETB regarding both scenarios by the end of the century (up to 1.5°C for RCP2.6 and 5.7°C for RCP8.5). Since ETB is a semi-arid region, changes in precipitation and potential evapotranspiration over the basin were not remarkable reaching up to 0.1 mm/day increase for RCP 2.6 and RCP8.5. The resulting data presents the changes in the basin's climate in the 21st century, provide a comprehensive retrospective benchmarking opportunity for the developing datasets in the CORDEX family (e.g., CMIP6), and offer strategic insight regarding in-situ data scarcity over the region. During the second part of this research, obtained MME data were used to run The Mesoscale Hydrologic Model (mHM) to investigate the changes in routed streamflow, total surface runoff and the depth of snowpack within ETB. The outputs of mHM show up to 15% increase for Euphrates and up to 10% decrease for Tigris River systems in terms of routed streamflow by the end of the century regarding RCP2.6. RCP8.5 showcases more drastic changes reaching up to 25% decrease in the discharge levels for the last period of this investigation. Up to 25% increase is expected on the southeastern parts of the basin as the amount of increasing precipitation also supports this outcome. Decrease in the depth of snowpack and the apparent shift in snowmelt is remarkable over the mountainous areas which needs further investigation. Overall, ETB is likely to face substantial changes in the near and the distant future, as these changes put the water, food, and energy nexus in danger, threatening the ETB's prosperity and sustainable development.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    721652

    Assessing the impact of climate and land use change on water resources inschuylkill river watershed

    Başlık çevirisi yok

    SUNA EKİN ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Jeoloji MühendisliğiDrexel University

    DR. MİRA OLSON

  2. Tez No

    905477

    İklim değişikliğinin Seyhan Havzası su kaynakları üzerindeki olası risklerinin meteorolojik verilere dayalı olarak değerlendirilmesi

    Assessment of possible risks of climate change on Seyhan Basin water resources based on meteorological data

    SERPİL SİNAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Çevre MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT BAŞIBÜYÜK

  3. Tez No

    415542

    The impact of climate change on agricultural production in mediterranean countries

    İklim değişikliğinin akdeniz ülkelerindeki tarımsal üretim üzerindeki etkisi

    MEHMET UFUK ATAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    EkonometriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Yer Sistem Bilimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAMAZAN SARI

    DOÇ. DR. İSMAİL YÜCEL

  4. Tez No

    841135

    Assessing the performance of a novel HBV model: A comparative analysis with existing HBV-light model and climate projections

    Yeni bir HBV modelinin performansının değerlendirilmesi: Mevcut HBV-light modeli ve iklim projeksiyonları ile karşılaştırmalı bir analiz

    SENA YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA TUĞRUL YILMAZ

  5. Tez No

    885184

    Şanlıurfa'da iklimden kaynaklanan risklerin tarımsal meteorolojik açıdan analizi

    Agricultural meteorological analysis of risks resulting from climate in Şanlıurafa

    BURAK IŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT ŞAYLAN

Geri Dön