Mezo-mı̇kro ölçek model kuplesı̇ wrf-les ı̇le yüksek çözünürlüklü rüzgar alanının belı̇rlenmesı̇
High-resolution wind field determination with wrf-les through meso-micro scale model coupling
- Tez No: 955210
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ, PROF. DR. GÖKHAN KİRKİL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 224
Özet
Son elli yılda küresel elektrik enerjisi talebi, ekonomik büyüme ve kentleşmedeki hızlı artışa paralel olarak önemli ölçüde yükselmiş; elektriğin üretim biçimleri ve sürdürülebilir temini, enerji politikalarının ve bilimsel araştırmaların merkezî konularından biri hâline gelmiştir. Günümüzde toplam elektrik üretiminde hâlâ fosil kaynaklar (kömür, petrol ve doğal gaz) baskın paya sahip olsa da söz konusu kaynakların sınırlı rezervleri, fiyat volatilitesi ve özellikle iklim değişikliği üzerindeki olumsuz etkileri enerji denkleminde yenilenebilir alternatifleri zorunlu kılmıştır. Bu bağlamda rüzgâr ve güneş enerjisi hem teknolojik olgunluk düzeyleri hem de maliyetlerindeki hızlı düşüş sayesinde son on yılda yıllık kurululu kapasite artışında başı çekmektedir. Rüzgâr enerjisi uygulamalarının planlama süreci, saha rüzgâr kaynağının doğru niceliklendirilmesine ve uzun dönem üretim kestirimlerinin güvenilirliğine dayanmaktadır. Modern rüzgâr kaynağı değerlendirmelerinde, yüksek direklere monte edilmiş meteorolojik sensörler (anemometre, yönölçer vb.) hâlen“standart”veri kaynağı olmayı sürdürse de tepeler, açık deniz alanları ve karmaşık arazi koşullarında lojistik zorluklar ve bakım gereksinimleri maliyetleri yükseltmektedir. Ayrıca IEC 61400-12-1 standardının öngördüğü en az on iki aylık kesintisiz ölçüm zorunluluğu, yatırım takvimlerini uzatabilmektedir. Bu sebeple zemin tabanlı LIDAR/SODAR sistemleri ve sayısal model tabanlı iklim veri kümelerinin (örn. ERA5) istatistiksel-dinamik kuplesi, uzun dönem rüzgâr rejimlerinin yüksek çözünürlükte yeniden yapılandırılmasında giderek daha büyük rol oynamaktadır. Ölçümlerin model verisiyle entegrasyonunda, Bölgesel İklim/Mezo ölçek model-tabanlı yaklaşımlar –özellikle Weather Research and Forecasting (WRF) modeli– alanın atmosferik koşullarını hem yatay hem düşey yönde ayrıntılı olarak çözebilme kapasitesi nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak klasik hidrostatik yapılandırmalarda kullanılan ~1–9 km yatay ağ aralıkları, sınır tabaka ve alt ızgara ölçekli (sub-grid-scale, SGS) türbülans proseslerini çoğunlukla parametrize etmek zorundadır. Karmaşık topografya ve orografik hızlanma alanlarının (örn. dar vadiler, sırt hatları) doğru temsil edilebilmesi için LES (Large-Eddy Simulation) çözünürlüğüne (Δx ≲ 100 m) inilmesi ve“gri bölge”ölçeklerinde LES–PBL dengesinin hassas biçimde yönetilmesi gereklidir. Çalışmamızda, WRF modelinin LES kabiliyeti dinamik kuple yaklaşımıyla devreye alınmış; MYNN, YSU ve Shin-Hong gibi farklı sınır tabaka parametrizasyonları, SGS türbülans kapatmalarıyla birlikte test edilmiştir. İki farklı karmaşık coğrafyada (yüksek engebeli iç kara bölgesi ve kompleks arazi yapısı) topografik veri seti (SRTM, GTOPO) ve yüzey pürüzlülüğü haritalarının (CORINE, GlobCover) rüzgâr alanı çözümleri üzerindeki etkileri karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Bu yüksek çözünürlüklü LES deneyleri, yalnızca sinoptik ölçekli akışların büyük dolaşım özelliklerini değil, aynı zamanda sınır tabakadaki küçük-ölçekli izotropik türbülans yapılarının da zamansal ve mekânsal evrimini ayrıntılı biçimde ortaya koymuştur. Elde edilen sonuçlar, geleneksel PBL parametrizasyonlarına kıyasla LES çözünürlüğünün rüzgâr şiddetleri, türbülans kinetik enerjisi (TKE) ve momentum akıları üzerinde %10-15'e varan iyileştirmeler sağladığını; özellikle topoğrafik hızlanma bölgelerinde (ör. vadiler arası akış daralması) YSU parametrizasyonunun konvektif koşullarda, MYNN'nin ise kararsız/stabil geçişlerde üstün performans sergilediğini göstermektedir. Dolayısıyla, rüzgâr enerji santrali (RES) fizibilite çalışmalarında zaman ve maliyet baskısını azaltacak şekilde, bir yıllık saha ölçümüyle kalibre edilmiş yüksek çözünürlüklü WRF-LES senaryoları; uzun dönem enerji üretim tahminlerinin belirsizliğini azaltan, bankalar ve yatırımcılar açısından güvenilirliği yükselten kritik bir araç olarak öne çıkabilecektir. Bu doktora çalışması, rüzgâr kaynaklarının doğru ve detaylı bir şekilde belirlenmesi için mezo ve mikro ölçekli atmosferik modelleme yöntemlerinin birlikte kullanıldığı ileri bir yaklaşımı sunmaktadır. Bu kapsamda Weather Research and Forecasting (WRF) modeli, Büyük Girdap Simülasyonu (Large Eddy Simulation) yöntemleriyle entegre edilerek, büyük ölçekli atmosferik dinamikler ve mikro ölçekli türbülans yapılarını yüksek doğrulukla modelleyebilme yeteneği sağlanmıştır. Çalışma, farklı coğrafi bölgeler ve karmaşık arazi şartlarında yer alan Türkiye'deki Mut bölgesi, Portekiz'deki Perdigão bölgesi ve Kanal İstanbul bölgesi üzerinde detaylı analizler gerçekleştirmiştir. Her bir bölge, karmaşık topografik yapıları ve farklı meteorolojik koşulları nedeniyle geliştirilen modelleme sisteminin etkinliğini doğrulamak için ideal saha çalışmaları olarak değerlendirilmiştir. Mut bölgesinde gerçekleştirilen kapsamlı analizlerde, farklı yüksekliklerdeki (30m, 56m ve 86m) meteorolojik kulelerden elde edilen ölçüm verileri ile yüksek çözünürlüklü WRF-LES simülasyonları karşılaştırılarak rüzgâr şiddeti ve yön tahminlerinin doğruluğu incelenmiştir. Yapılan istatistiksel değerlendirmelerde Kök Ortalama Kare Hata (RMSE), Normalize edilmiş RMSE (nRMSE), Ortalama Mutlak Hata (MAE) ve Weibull dağılım analizleri gibi yöntemler kullanılmıştır. Sonuçlar, mezo-mikro ölçek kuple modellemenin, tek başına kullanılan mezo ölçek modellerden çok daha başarılı olduğunu göstermiştir. Ayrıca yüksek çözünürlüklü topoğrafik veri setlerinin (SRTM, CORINE arazi kullanım verileri ve USGS) entegrasyonu, model ve ölçüm sonuçları arasındaki uyumu belirgin şekilde artırmıştır. Perdigão bölgesinde yapılan çalışmalar, saha kampanyası sırasında elde edilen kapsamlı ölçüm verileriyle desteklenerek, karmaşık vadi yapısı ve sıkça değişen rüzgâr yön koşulları altında modelin doğruluğunu sınamıştır. Özellikle kuzeyli ve güneyli rüzgâr akış koşulları ayrı ayrı değerlendirilmiş ve bu akış koşullarında kullanılan Atmosferik Sınır Tabaka (PBL) parametreleri (Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN), Yonsei University (YSU), Simulated Heating (SH)) ve alt ızgara ölçekli (SGS) modeli Smagorinsky (SMAG), ve türbülans parametreleri (Türbülans Kinetik Enerji (TKE), Nonlinear Backscatter and Anisotropy (Doğrusal Olmayan Geri Saçılma ve Yöne Bağımlılık) (NBA)) detaylı olarak karşılaştırılmıştır. Güneyli akış koşullarında T20, T25 ve T29 ölçüm noktalarında gerçekleştirilen simülasyonlarda, WRF-LES modelinin zaman içindeki değişimleri, türbülans yapıları ve düşey rüzgâr kaymasını doğru bir şekilde yakaladığı görülmüştür. Taylor diyagramı analizleri, MYNN parametrizasyonu ile TKE parametrelemesinin en düşük RMSE değerleri ve en yüksek korelasyon katsayıları ile en başarılı kombinasyon olduğunu göstermiştir. Kuzeyli akış koşullarında yapılan detaylı analizler de yine MYNN-TKE kombinasyonunun mikro ölçekli rüzgâr yapılarını en iyi şekilde temsil ettiğini doğrulamıştır. Ayrıca transekt karşılaştırmalarıyla, düşey ve yatay rüzgâr şiddetlerinin hassas bir şekilde modellendiği ortaya konmuştur. Kanal İstanbul bölgesinde gerçekleştirilen analizlerde, türbin hub yüksekliklerindeki rüzgâr değişkenliğini değerlendirmek üzere yüksek çözünürlüklü WRF-LES modellemeleri kullanılmıştır. Bu yöntem, türbin yerleşim optimizasyonu ve enerji üretimi tahminlerinde kritik önem taşımaktadır. Gelişmiş arazi ve arazi kullanım veri setlerinin entegrasyonu, tahminlerin doğruluğunu belirgin şekilde artırmıştır. Çalışmanın genelinde, WRF-LES gibi ileri seviye mezo-mikro ölçekli modelleme sistemlerinin kullanımının, rüzgâr enerji kaynaklarının kapsamlı ve doğru değerlendirilmesinde büyük önem taşıdığı vurgulanmıştır. Bu yaklaşımlar, rüzgâr çiftliği saha seçimleri, türbin yerleşim optimizasyonu ve enerji üretim tahminlerinde belirsizlikleri azaltarak, rüzgâr enerjisi geliştirme süreçlerinde karar alma süreçlerini doğrudan iyileştirmektedir. Bu tez, mezo-mikro ölçek eşleştirmesi sağlayan ileri düzey WRF-LES modeli ile atmosferik akışı ayrıntılı olarak simüle etmiş ve farklı topoğrafik koşullardaki rüzgâr kaynağı potansiyelini değerlendirmiştir. Geliştirilen yöntem, Mut (Türkiye), Perdigão (Portekiz) ve Kanal İstanbul güzergâhı (Türkiye) olmak üzere üç ayrı çalışma alanında uygulanarak sınanmıştır. Gelecekte yapılabilecek araştırmalar kapsamında, mevcut modelleme tekniklerinin deniz üstü rüzgâr projelerine uygulanması, gelişmiş veri asimilasyon yöntemleri ile model başlangıç koşullarının iyileştirilmesi ve kuple WRF-LES yöntemlerine dayalı gerçek zamanlı operasyonel tahmin sistemlerinin geliştirilmesi önerilmektedir. Bu çalışmalar, yenilenebilir enerji altyapısının genişlemesini destekleyerek, rüzgâr enerjisinin küresel sürdürülebilir enerji stratejilerindeki rolünü güçlendirecektir. Bu çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimince Desteklenmiştir. Proje Numarası: MDK-2018-41233 Perdigão saha kampanyası, başta ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF), Avrupa Komisyonu'nun ERANET+ programı, Danimarka Enerji Ajansı, Almanya Ekonomi ve Enerji Federal Bakanlığı, Portekiz Bilim ve Teknoloji Vakfı (FCT), ABD Kara Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı (ARL) ve İsrail İkili Bilim Vakfı (BSF) tarafından finanse edilmiştir. Bu çalışma kapsamında kullanılan NEWA (New European Wind Atlas) veritabanı, Avrupa Komisyonu FP7 programı ve Danimarka Enerji Ajansı (EUDP 14-II, 64014-0590) başta olmak üzere çok sayıda ulusal/uluslararası kuruluşun desteğiyle geliştirilmiştir. NEWA konsorsiyumuna ve veri setini açık erişime sundukları için tüm paydaşlara içten teşekkür ederim.
Özet (Çeviri)
Over the past half-century, global electricity demand has risen sharply in tandem with rapid economic growth and urbanization, making both the modes of power generation and its sustainable supply central issues in energy policy and scientific research. Although fossil fuels (coal, oil, and natural gas) still dominate total electricity production today, their finite reserves, price volatility, and—above all—their adverse impact on climate change have made renewable alternatives indispensable in the energy equation. In this context, wind and solar power have led annual capacity additions over the past decade, thanks to their advancing technological maturity and steep declines in cost. The planning of wind-energy projects is contingent upon the accurate quantification of the local wind resource and the generation of reliable long-term yield forecasts. In contemporary assessments, tall meteorological masts equipped with instruments such as anemometers and wind vanes remain the“standard”data source. However, the installation and maintenance of these masts on hilltops, offshore sites, and other complex terrains is logistically challenging and costly. Furthermore, the IEC 61400-12-1 standard stipulates a minimum of twelve consecutive months of uninterrupted measurements, a requirement that has the potential to extend project timelines. Consequently, the statistical–dynamic fusion of ground-based LiDAR/SODAR systems with model-derived climate data sets (e.g., ERA-5) is playing an increasingly important role in reconstructing long-term wind regimes at high spatial resolution. In order to integrate measurements with model data, regional climate or mesoscale model-based approaches are preferred, especially the Weather Research and Forecasting (WRF) model, since they are capable of resolving atmospheric conditions in both horizontal and vertical directions with considerable detail. However, the conventional hydrostatic setups generally require parameterisation of boundary-layer and sub-grid-scale (SGS) turbulence processes, given the horizontal grid spacings of approximately 1–9 km. It is imperative that complex topography and orographic acceleration zones (e.g. narrow valleys, ridgetops) are accurately represented, and this necessitates Large-Eddy Simulation (LES) resolution (Δx ≲ 100 m) and judicious management of the LES–PBL balance in the“grey-zone”scales. In the present study, the LES capability of WRF was activated via a dynamic nesting approach; various boundary-layer schemes—namely, MYNN, YSU and Shin-Hong—were tested in combination with different SGS turbulence closures. In this study, we employed two contrasting complex terrains (a highly rugged inland region and an area with intricate relief) to perform a comparative analysis of how different topographic data sets (SRTM, GTOPO) and surface-roughness maps (CORINE, GlobCover) influence the simulated wind fields. The planning of wind-energy projects hinges on accurately quantifying the local wind resource and producing reliable long-term yield forecasts. In contemporary assessments, tall meteorological masts equipped with instruments such as anemometers and wind vanes remain the“standard”data source. However, the installation and maintenance of these masts on hilltops, offshore sites, and other complex terrains is logistically challenging and costly. Furthermore, the IEC 61400-12-1 standard stipulates a minimum of twelve consecutive months of uninterrupted measurements, a requirement that has the potential to extend project timelines. Consequently, the statistical–dynamic fusion of ground-based LiDAR/SODAR systems with model-derived climate data sets (e.g., ERA5) is playing an increasingly important role in reconstruction. These high-resolution LES experiments elucidated not only the large-scale circulation characteristics of synoptic flows but also the temporal and spatial evolution of small-scale, isotropic turbulence structures within the boundary layer. In comparison with conventional PBL schemes, LES-grid resolution enhanced predictions of wind speed, turbulence kinetic energy (TKE) and momentum fluxes by up to 10–15%. Notably, the YSU scheme demonstrated optimal performance under convective conditions in topographic acceleration zones (e.g. valley constrictions), while the MYNN scheme exhibited superiority during unstable–stable transitions. Consequently, high-resolution WRF-LES scenarios calibrated with a single year of site measurements can become a critical tool for wind-farm feasibility studies, with the potential to curb time and cost pressures while reducing long-term energy-yield uncertainty and thereby enhancing project bankability for lenders and investors. The present doctoral research proposes an advanced methodology that integrates mesoscale and microscale atmospheric modelling to characterise wind resources with high fidelity. The integration of the Weather Research and Forecasting (WRF) model with Large-Eddy Simulation (LES) enables the accurate representation of both synoptic-scale atmospheric dynamics and microscale turbulence structures. The study conducted detailed analyses in three geographically and topographically diverse areas: Turkey's Mut region, Portugal's Perdigão site, and the Canal Istanbul corridor. Each area was regarded as an ideal test bed for verifying the modelling system's performance due to its intricate terrain and distinct meteorological conditions. A comprehensive analysis was conducted for the Mut region, with wind speed and direction forecasts derived from high-resolution WRF-LES simulations being benchmarked against observations from meteorological towers installed at three heights (30 m, 56 m and 86 m). Statistical metrics, including Root Mean Square Error (RMSE), normalised RMSE (nRMSE), Mean Absolute Error (MAE), and Weibull distribution fits, were employed to evaluate the performance of the forecasts. The findings demonstrate that the coupled meso- and microscale approach exhibits a significantly superior performance in comparison to standalone mesoscale models. The incorporation of high-resolution topographic data sets, including SRTM, CORINE land-use data and USGS products, further enhances the congruence between model outputs and measurements. At the Perdigão site, the modelling system was rigorously tested against the extensive measurements collected during the field campaign, under the area's complex valley topography and frequently shifting wind-direction regimes. In the context of this study, northern- and southern-flow cases were evaluated in isolation. For each regime, the performance of different Planetary Boundary-Layer (PBL) schemes was compared with that of several sub-grid scale (SGS) turbulence closures. The PBL schemes in question were Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN), Yonsei University (YSU) and Simulated Heating (SH). The SGS turbulence closures included Turbulence Kinetic Energy (TKE), Smagorinsky (SMAG) and Nonlinear Backscatter and Anisotropy (NBA). In the context of southerly flow conditions, the WRF-LES model demonstrated a high degree of accuracy in its simulation of temporal variations, turbulence structures and vertical wind shear, as evidenced by measurements conducted at sites T20, T25 and T29. Taylor-Diagram analyses indicated that the pairing of the MYNN PBL scheme with the TKE SGS parameterisation yielded the lowest Root Mean Square Error (RMSE) values and the highest correlation coefficients, thus establishing this configuration as the most successful. Detailed analyses under northerly flow conditions likewise confirmed that the MYNN–TKE combination offers the best representation of microscale wind structures. Transect comparisons further demonstrated that both vertical and horizontal wind speeds are modelled with a high degree of precision. The present study employed high-resolution WRF-LES simulations for the Canal Istanbul corridor, with the aim of assessing wind variability at turbine hub heights. This approach is critical for optimising turbine placement and predicting energy yield, and the integration of advanced terrain and land-use data sets has been shown to markedly improve forecast accuracy. The study emphasises the importance of advanced meso- to micro-scale modelling systems, such as WRF-LES, for comprehensive and accurate wind-resource assessment. These systems are crucial in reducing uncertainties in wind-farm site selection, turbine-layout optimisation and energy-yield forecasting, thereby directly enhancing decision-making throughout the wind-energy development process. This dissertation employs the high-resolution, coupled meso-micro scale framework of WRF-LES to rigorously simulate atmospheric flow and to quantify wind-resource potential over contrasting terrains. The proposed methodology is validated at three distinct sites—Mut (Turkey), Perdigão (Portugal), and the Istanbul Canal corridor (Turkey). It is recommended that future research extend the current modelling techniques to offshore wind projects. Furthermore, the refinement of initial model conditions through the application of advanced data-assimilation methods should be a priority. Finally, the development of real-time operational forecasting systems based on coupled WRF-LES approaches is advised. These efforts will contribute to the augmentation of renewable-energy infrastructure and consolidate the position of wind power within global sustainable-energy strategies. This work was supported by Scientific Research Projects Department of Istanbul Technical University. Project Number: MDK-2018-41233 The Perdigão field campaign was primarily funded by the US National Science Foundation, European Commission's ERANET+, Danish Energy Agency, German Federal Ministry of Economy and Energy, Portugal Foundation for Science and Technology, US Army Research Laboratory, and Israel Binational Science Foundation. The New European Wind Atlas (NEWA) dataset used in this study was developed with partial funding from the European Commission (FP7-ENERGY.2013.10.1.2) and national agencies such as the Danish Energy Agency (EUDP 14-II, 64014-0590). I gratefully acknowledge the NEWA consortium for providing open-access data and documentation.
Benzer Tezler
- Manisa Soma Bölgesi için Meso Ölçek Sayısal Hava Tahmin Modeli (WRF) Sonuçları ile Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Modelleri (Meteodyn ve WindSim) Kullanılarak Kısa Vadeli Rüzgar Enerjisi Tahmini
Short Term Wind Energy Prediction for Manisa Soma Region By Using Numerical Weather Prediction Model Results (WRF) and Computational Fluid Dynamics Models (Meteodyn And WindSim)
ÇİĞDEM AKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
- Yaya caddelerinde mikro hareketin nicel analizi: İstiklal caddesi örneği
Quantitative analysis of micro movement on pedestrian streets: The case of İstiklal street
ALİ YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL EREN KÜRKÇÜOĞLU
- Postmodern dönemde kamusal mekânın dönüşümünün kapalı siteler üzerinden incelenmesi:İstanbul, Göktürk örneği
Transformation of public area in post-modern period through gated communities: The case of Istanbul Göktürk
ÜLKÜ ÇELEBİ
- Eğitimde veriye dayalı yönetim uygulamalarının değerlendirilmesi
The evaluation of data driven management applications in education
AYHAN DUYKULUOĞLU
Doktora
Türkçe
2022
Eğitim ve ÖğretimGazi ÜniversitesiEğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NECATİ CEMALOĞLU
- Kültürel süreklilik elemanlarının saptanması ve yeni tasarımlara veri tabanı oluşturması yaklaşımı
An Aspect for determining the cultural continuity elements and using them as design data
ÖZLEM ERSÖZ