Urbanization's role in shaping temperature records: Insights from İzmir, Türkiye
Sıcaklık rekorlarının şekillenmesinde kentleşmenin rolü: Türkiye, İzmir'den çıkarımlar
- Tez No: 888540
- Danışmanlar: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 87
Özet
Şehir Isı Adası kavramı, 80'lerin başlarında, şehir nüfusunun artmasıyla birlikte kentsel alanların inşasının artmaya başladığı dönemde literatüre girmiştir. Kentsel ısı adası terimi, kentsel ve kırsal alanlar arasındaki sıcaklık farkını tanımlamaktadır. 80'lerin başlarından günümüze kadar, kentsel atmosferin çevresiyle nasıl etkileşime girdiğini ve kentsel ısı adalarının meteorolojik olayları nasıl etkilediğini derinlemesine anlamak için sayısız çalışma yapılmıştır. The Weather Research and Forecasting (WRF) gibi sayısal hava tahmin (NWP) modelleri, bu olayları simüle etmek için oldukça kullanışlıdır. WRF modeli, atmosferik araştırma ve operasyonel tahmin ihtiyaçlarına hizmet etmek üzere tasarlanmış sofistike bir sayısal hava tahmin aracıdır. Bu model mevcut gözlemsel verilere dayanarak hava olaylarını simüle etmek için atmosfer fiziği ve dinamiklerini temsil eden matematiksel denklemleri kullanır. Çok yönlülüğü ve modüler yapısı, kısa vadeli hava tahminlerinden uzun vadeli iklim çalışmalarına kadar çeşitli uygulamalara imkan tanır. WRF, yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğü sayesinde yerel, bölgesel ve küresel ölçeklerde meteorolojik olayların detaylı simülasyonlarını yapabilir. Bu model, gelişmiş veri asimilasyon tekniklerini destekler ve çeşitli veri kaynaklarını entegre edebilir, böylece tahmin doğruluğunu artırır. Detaylı ve güvenilir tahminler sağlayarak, WRF ve diğer NWP modelleri, hava ile ilgili karar alma, afet hazırlığı ve çevre yönetiminde kritik bir rol oynar, sonuçta hayatları ve mülkleri korumaya yardımcı olur. WRF modeli, kentsel ısı adalarının (UHI) çalışılmasında büyük ilerlemeler sağlamış olup, kentsel alanlar üzerindeki atmosferik koşulların yüksek çözünürlüklü simülasyonların hazırlanmasına ve incelenmesine kolaylık sağlamaktadır. Literatürde WRF modelinin kullanıldığı birçok farklı alanda çalışmalar yapılmış ve yapılmaktadır. Örneğin şehir ısı adası yoğunluğunun hesaplanmasında, birçok farklı ölçekteki hava olayının modellenmesinde, sayısal hava tahmin modeli çıktılarının çözünürlüklerinin yükseltilmesinde bu model oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye'nin en kalabalık 3. şehri olan İzmir'de, sıcak hava dalgası koşullarında şehir ısı adası etkisinin nasıl davrandığının anlaşılması amaçlanmıştır. Modelin sağladığı avantajlar ve literatürde bulunan başarılı çalışmalar göz önünde bulundurularak çalışmanın WRF modeli kullanılarak modellenmesine ve stabil güncel versiyon olan WRF versiyon 4.3 kullanılmasına karar verilmiştir. Gerekli altyapı hazırlanıp model kurulumu tamamlandıktan sonra çalışılacak parametre seti araştırıldı, bu araştırma sırasında çalışma alanı için yapılan önceki çalışmalar, benzer coğrafi bölgeler ve iklim koşullarında yapılan yayınlar incelenerek. bölgeyi ve seçilen çalışma konusunu en iyi temsil eden model parametrizasyon seti seçildi. CORINE, Avrupa Çevre Ajansı tarafından yürütülen ve arazi kullanım bilgilerini içeren bir projedir. CORINE arazi kullanım verisi, çeşitli çevresel uygulamalar için temel bilgi kaynağıdır ve 44 farklı arazi kullanım sınıfını içermektedir. Bu veri seti, çevresel izleme, planlama ve yönetim süreçlerinde önemli bir rol oynar. Avantajları arasında, karar vericilere ve araştırmacılara geniş bir coğrafi alanda detaylı ve güncel bilgi sağlama kapasitesi bulunur. Ayrıca, Avrupa genelinde standardize edilmiş bir veri seti sunarak sınır ötesi çevresel yönetim ve politika geliştirme süreçlerini kolaylaştırır. CORINE verileri, çevresel değişikliklerin izlenmesi, arazi kullanım değişikliklerinin analiz edilmesi ve sürdürülebilir kalkınma politikalarının geliştirilmesine yönelik değerli bilgiler sunar. Çalışmanın en kritik yönlerinden biri, modelin, kentleşmeyi doğru şekilde temsil eden arazi kullanımı bilgileriyle çalıştırılmasıydı. Bu nedenle, varsayılan arazi kullanımı verileri yerine CORINE verilerinin modelin varsayılan koşulları kullanılarak değerlendirilmesi sağlandı. Sıcaklık rekoru kırılan Temmuz 2023 yılının istenilen koşullara uygun olup olmadığının belirlenmesi için gözlem verileri analiz edildi. Sıcak hava dalgasının ve şehir ısı adasının etkilerinin incelenebilmesi için Meteoroloji Genel Müdürlüğü tarafından sağlanan gözlem verileri bölgesel ortalama ve noktasal istasyon değerleri incelenirken sinoptik paternde tespiti için ECMWF ERA5 verilerinden faydalanıldı. ERA5, Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi (ECMWF) tarafından geliştirilen ve küresel atmosferik verilerin yeniden analizini içeren bir veri setidir. ERA5 reanaliz verisi, 1979'dan günümüze kadar olan dönemi kapsar ve atmosferik, yüzeysel ve deniz parametrelerine dair yüksek çözünürlüklü bilgiler sunar. Bu veri setinin avantajları arasında, iklim araştırmaları ve hava durumu analizleri için güvenilir ve detaylı bir temel sağlaması bulunur. ERA5, yüksek zaman çözünürlüğü (saatlik veriler) ve yüksek mekansal çözünürlüğü (31 km grid aralığı) ile kullanıcılara çok hassas ve kapsamlı bilgi sağlar. Ayrıca, uzun bir zaman dilimini kapsaması, iklim değişikliği trendlerinin ve ekstrem hava olaylarının analizine olanak tanır. ERA5 verileri, hava tahminleri, tarım, su kaynakları yönetimi, enerji sektörü ve afet yönetimi gibi birçok alanda uygulama bulur ve bilimsel araştırmalara önemli katkılar sunar.Seçilen Temmuz 2023 ayı içerisinde şehir ısı adasının en yoğun olduğu dönemlerin sıcaklık rekoru ile örtüştüğü ve sinoptik paternin bu koşulları desteklediği göz önüne alınarak 2023 Temmuz ayının simülasyonlar için uygun koşulları barındırdığına karar verildi. Model başlangıç koşulları için yapılmış önceki çalışmalarda gösterdiği başarıdan yola çıkarak ECMWF ERA5 tek seviye ve basınç seviyeleri verileri temin edilerek modele girdi olarak verildi ve belirlenen model parametre seti ile birlikte rekor kıran günü de içeren Temmuz 2023 ayı için model çalıştırıldı. Elde edilen çıktılar gözlem değerleriyle karşılaştırılarak seçilmiş performans metrikleri ve Taylor diyagramları hazırlanarak modelin performansı değerlendirildi ve parametre setinin performansı tekrar doğrulandı. Ardından, aynı veri ve parametre seti ile hazırlanan model başlangıç koşulları CORINE verilerindeki kentsel arazi kullanım kategorisi en yakın kırsal alan kategorisiyle değiştirilerek tekrar çalıştırıldı. Modelin Temmuz 2023 ve rekor kıran sıcaklık gününde, şehir ve atmosfer arasındaki etkileşimin sıcaklığa katkıları atmosferik sınır tabakası yükseklikleri, sıcaklık profilleri analiz edildi. Çalışmanın sonuçları incelendiğinde, kentsel alanların kırsal arazi kullanımı ile değiştirilmesinin, tüm ay boyunca bölgenin sıcaklığını önemli ölçüde değiştirdiğini ortaya koydu. Özellikle, rekor kıran sıcaklık gününde kentsel ve kırsal alanlar arasındaki minimum sıcaklık farkının gece meydana geldiği, bu durumun kentsel ısı adası etkisiyle tutarlı olduğu anlaşıldı. Ayrıca, kentsel ve kentsel olmayan koşullar arasında sınır tabakası yüksekliğinde belirgin bir fark olduğu görüldü. Literatürden yola çıkarak seçilen atmosferdeki yukarı yönlü hareket akısı bu çalışma için yatay kesti alanı üzerinden hesaplanarak şehir varken ve yokken akıda oluşan fark incelendi. Rekor kıran gün boyunca, yukarı yonlü hareket akısının kentsel koşul için daha yüksekken, gece daha düşük olduğu belirlendi. Bu kaldırma akısı varyasyonunun, altta yatan mekanizmaları tam olarak anlamak için daha fazla araştırma gerektirdiği sonucuna varıldı.
Özet (Çeviri)
The urban heat island concept was introduced to literature around the early 80s when the construction of urban areas started to increase due to the increasing population of cities. The term urban heat island is defined as the temperature difference between urban and rural areas. From the early 80s until today, numerous studies have been conducted to deeply understand how the urban atmosphere interacts with its surroundings and how urban heat islands affect meteorological phenomena. Numerical weather prediction (NWP) models like The Weather Research and Forecasting (WRF) come in handy to simulate these phenomena. The WRF model is a sophisticated numerical weather prediction tool designed to serve atmospheric research and operational forecasting needs. As an NWP model, WRF utilizes mathematical equations representing atmospheric physics and dynamics to simulate weather patterns based on current observational data. Its versatility and modular structure allow for various applications, from short-term weather predictions to long-term climate studies. WRF stands out due to its high spatial and temporal resolution, which enables detailed simulations of meteorological phenomena at local, regional, and global scales. This model supports advanced data assimilation techniques and can integrate diverse data sources, enhancing its predictive accuracy. By providing detailed, reliable forecasts, WRF and other NWP models play a crucial role in weather-related decision-making, disaster preparedness, and environmental management, ultimately helping to safeguard lives and property. WRF model has significantly advanced the study of urban heat islands (UHIs) by providing high-resolution simulations of atmospheric conditions over urban areas. This numerical prediction model allows researchers to analyze the intricate interactions between urban landscapes and meteorological phenomena such as heat waves and allows scientists to study the characteristics and impacts of UHIs more accurately. In this study it was aimed to understand how urban heat island effect behavior of atmosphefric dynamics under heat wave conditions for 3rd most populous city of Turkiye, İzmir. Due to the mentioned advantages, it was decided to conduct the study using WRF model version 4.3. After preparing the necessary infrastructure and setting up the model, it was started to search the parameter set would work with. Based on the results of our previous studies within the same domain, the parameterization set best represents the region selected. One of the most critical aspects of the study was to run the model with land use information that accurately represents urbanization. Therefore, instead of using the default land use data, Coordination of Information on the Environment (CORINE) data was used as the base for the model, thus laying the foundation for our study. We forced the model with ECMWF reanalysis data while running it and determined the case date using observational data provided by the Meteorological Directorate General. After selecting the date, we ran the model for July 2023, including the record-breaking day. Then, the outputs were compared with station observations to see how closely the model's results matched actual data, and the effectiveness and accuracy of the model were assessed. After determining the model's performance, the performance of the parameterization set once again was validated. Then, the model ran again with the same settings, replacing the urban land use category in the CORINE data with the nearest rural area category. We analyzed the contributions of the interaction between the city and the atmosphere to the temperature on the record-breaking heat day by considering atmospheric boundary layer heights, temperature profiles, and atmospheric forces such as buoyancy. The study revealed that replacing urban areas with rural land use significantly altered the temperature of the area throughout the entire month. Notably, the minimum temperature difference between urban and rural areas during the record-breaking heat day occurred at night, consistent with the urban heat island effect. Additionally, there was a noticeable difference in boundary layer height when comparing urban and non-urban runs. During the record-breaking day, the buoyancy flux was higher for the urban run, while it was lower at night. This variation in buoyancy flux requires further investigation to fully understand the underlying mechanisms.
Benzer Tezler
- Yüzey kentsel ısı adası yoğunluğu ve kırılganlığının araştırılması: İstanbul metropoliten bölgesi için çok boyutlu bir yaklaşım
Investigating surface urban heat island intensity and vulnerability: a multidimensional approach for istanbul metropolitan area
YUSUF EMİNOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN MURAT ÇELİK
- Sıcak nemli iklim bölgesi için iklimsel tasarım parametrelerinin ısıl performansa etkisini değerlendirme: Bir konut örneği
The evaluation of the effect of climatic design parameters on thermal performance for the hot and humid climatic zone: A residential building sample
MEHMET HAYRİ TÜRKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
- Kentsel alanlarda iklim değişikliği azaltım ve uyum stratejilerinin havza ölçeğinde analizi
Watershed scale analysis of climate change mitigation and adaptation strategies in urban areas
ERDA ÇELER
Doktora
Türkçe
2022
Ormancılık ve Orman Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. YUSUF SERENGİL
- Binalarda güneş kontrol elemanlarının soğutma enerjisi yüklerine etkisinin irdelenmesine ilişkin bir çalışma
An evaluation study on the effect of solar control devices onto cooling energy loads in buildings
AYŞEGÜL CİRİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
YRD. DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
- Kentsel tasarım elemanı olarak bitkilendirme ile iklim kontrolü. Bağdat Caddesi, 1. Levent ve Ataşehir örneği
Başlık çevirisi yok
YASEMİN BOSTANCI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESTURE AYSAN