Geri Dön

Convection permitting simulations driven by pseudo-global warming for a heavy precipitation event in the black sea region

Karadeniz bölgesi'nde şiddetli yağış olayının varsayımsal küresel ısınmayla yönlendirilen konveksiyona elverişli simülasyonları

PDF İndir

  1. Tez No: 995542
  2. Yazar: SİNAN ŞAHİNOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BARIŞ ÖNOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Meteoroloji, Meteorology
  6. Anahtar Kelimeler: Ekstrem hadiseler, Karadeniz, Yağışlar, İklim değişikliği, Extreme events, Black Sea, Rainfall, Climate change
  7. Yıl: 2026
  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: Belirtilmemiş.

Özet

İnsan kaynaklı iklim değişiminin Akdeniz ve Karadeniz havzalarının iklimi üzerinde, diğer bölgelere kıyasla daha belirgin etkileri bulunmaktadır. Hava sıcaklıkları ve deniz suyu sıcaklıklarındaki artışlar, bu bölgelerde aşırı hava olayları için uygun koşullar sağlamaktadır. Genel Sirkülasyon Modelleri (GSM) ve gözlem verileri kullanılarak yapılan çok sayıda çalışma, Akdeniz Havzası'nın iklim değişimine karşı oldukça duyarlı bir bölge olduğunu ortaya koymuştur. Akdeniz Havzası, karmaşık topografyası, güçlü kara–deniz sıcaklık kontrastları ve büyük ölçekli atmosferik dolaşımlara olan hassasiyeti nedeniyle, iklim değişiminin etkilerinin hızla ve şiddetli şekilde hissedildiği bir bölge olarak tanımlanmaktadır. 21. yüzyıl için yapılan iklim simülasyonlarına göre Akdeniz Havzası'nda hava sıcaklıklarının CMIP6 iklim modellerine göre 1.83°C ile 8.49°C arasında artması beklenirken, bu artış CMIP5 iklim modellerinde 1.22°C ile 6.63°C aralığında öngörülmektedir. Karadeniz Havzası için yapılan çalışmalarda ise, bölgenin yarı kapalı bir deniz olması ve çevresindeki dağlık topografya nedeniyle, atmosfer–okyanus etkileşimlerine son derece duyarlı olduğu vurgulanmaktadır. 2061–2070 dönemi için, 2005–2014 referans periyoduna kıyasla yaklaşık 3°C'lik bir sıcaklık artışı beklenmektedir. Deniz suyu sıcaklığı ve hava sıcaklığındaki bu artışlar, Karadeniz Havzası'nı iklim değişimine karşı daha kırılgan hale getirmekte; vaka bazlı çalışmalar, deniz suyu sıcaklığı artışlarının aşırı yağışlara yol açabildiğini ve Karadeniz'de daha önce nadir gözlenen tropikal benzeri siklon (Blackcane) yapılarının oluşabileceğini göstermektedir. Bu tür sistemler, yüksek rüzgâr şiddetleri, şiddetli yağışlar ve düşük deniz seviyesi basınçları ile birlikte önemli can ve mal kayıplarına yol açabilmektedir. Bu çalışmada, Varsayımsal Küresel Isınma (VKI) yöntemi, 2021 yılı Ağustos ayında Türkiye'nin kuzeyinde bulunan Kastamonu ilinin Bozkurt ilçesinde 350–450 mm aralığında yağışa neden olan sel olayına uygulanmıştır. Bozkurt seli, kısa sürede gerçekleşen yüksek miktardaki yağışlar, topoğrafik etkiler ve deniz kaynaklı nem beslemesi nedeniyle Karadeniz Bölgesi için tipik bir aşırı yağış örneği oluşturmaktadır. VKI yöntemi, gerçekleşmiş bir hava olayının gelecekteki iklim koşulları altında nasıl gerçekleşeceğini incelemek amacıyla, yeniden analiz verilerinin başlangıç ve sınır koşullarına iklim değişimi sinyallerinin eklenmesine dayanmaktadır. Bu yaklaşım, olay bazlı çalışmalarda hem fiziksel tutarlılığı koruması hem de yüksek çözünürlüklü bölgesel modellemeye olanak sağlaması açısından önemli avantajlar sunmaktadır. Bu amaçla üç farklı emisyon senaryosu kullanılmıştır: SSP2–4.5, SSP3–7.0 ve SSP5–8.5. SSP2–4.5 ve SSP3–7.0 senaryoları için 20, SSP5–8.5 senaryosu için ise 25 Yer Sistem Modeli (YSM) kullanılmıştır. Modellerden elde edilen iklim değişimi sinyalleri (Δ) hesaplanarak Avrupa Orta Vadeli Hava Tahminleri Merkezi Reanaliz 5. Jenerasyon Yeniden Analiz (ERA5) verilerine eklenmiştir. Referans periyot 1990–2014 olarak tanımlanırken, 2025–2049, 2050–2074 ve 2075–2099 dönemleri sırasıyla YakınGelecek, OrtaGelecek ve UzakGelecek olarak adlandırılmıştır. İklim değişimi sinyalleri; hava sıcaklığı, deniz suyu sıcaklığı, bağıl nem, yatay rüzgâr bileşenleri ve yüzey basıncı değişkenleri için hesaplanmıştır. Simülasyonlar iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada tüm değişkenler pertürbe edilerek Bozkurt olayı gelecekteki iklim koşulları altında yeniden simüle edilmiştir. İkinci aşamada ise seçici-zorlama deneyleri yapılarak dinamik ve termodinamik süreçlerin göreli rolleri ayrıntılı biçimde incelenmiştir. Bu kapsamda yatay rüzgâr bileşenlerinin pertürbe edilmediği, yatay rüzgâr bileşenleri ile birlikte yüzey basıncının pertürbe edilmediği ve yatay rüzgâr bileşenleri ile birlikte bağıl nemin pertürbe edilmediği farklı kombinasyonlar ele alınmıştır. Seçici-zorlama deneylerinde ayrıca atmosfer–okyanus etkileşimini değerlendirmek amacıyla basit okyanus modeli kullanılarak deniz suyu sıcaklığı dinamik olarak hesaplanmıştır. Tüm simülasyonlar, ERA5 verileriyle zorlanan Weather Research and Forecasting (WRF) modeli kullanılarak, Karadeniz merkezli ve çevresini kapsayan bir alanda 3 km yatay çözünürlükte gerçekleştirilmiştir. Bu çözünürlük, konvektif süreçlerin doğrudan çözülebilmesine olanak sağlayarak kısa süreli aşırı yağışların daha gerçekçi şekilde temsil edilmesini mümkün kılmaktadır. Elde edilen sonuçlar, Bozkurt aşırı yağış olayının gelecekteki iklim koşulları altında belirgin biçimde şiddetlendiğini göstermektedir. Kontrol simülasyonu olayı en yüksek 632 mm toplam yağış, 89 km h⁻¹ en yüksek rüzgâr şiddeti ve 1003 hPa en düşük deniz seviyesi basıncı ile temsil etmiştir. Tüm değişkenlerin pertürbe edildiği VKI deneylerinde en yüksek toplam yağış; SSP2–4.5 senaryosu için 803–1220 mm (%27–%93), SSP3–7.0 senaryosu için 911–1138 mm (%44–%80) ve SSP5–8.5 senaryosu için 923–1208 mm (%46–%91) aralığında artış göstermiştir. Aşırı yağışların alansal dağılımı da önemli ölçüde artmış; 100 mm üzeri yağış alan ızgara noktalarının sayısı kontrol simülasyonunda yaklaşık 15000 iken, SSP5–8.5 UzakGelecek simülasyonlarında 32000–35000 aralığına ulaşmıştır. Alansal toplam yağış miktarı ısınmayla birlikte sistematik olarak artmış ve SSP5–8.5 UzakGelecek beş günlük spin-up simülasyonlarında kontrol koşullarına göre yaklaşık iki katına çıkmıştır. Seçici-zorlama deneylerinde maksimum toplam yağışlar 720–1450 mm (%14–%129) aralığında değişmiş, bağıl nemin sabit tutulduğu UzakGelecek konfigürasyonlarında yağış miktarı kontrol simülasyonunun yaklaşık üç katına ulaşmıştır. Bu artışların temel nedeninin, düşük seviyelerde konverjansın ve düşey hareketlerin güçlenmesi olduğu; bununla birlikte artan deniz suyu sıcaklığı ve hava sıcaklığının atmosferin nem tutma kapasitesini artırarak toplam su buharı miktarını artırdığı belirlenmiştir. Özellikle, seçici-zorlama simülasyonlarında bağıl nemin pertürbe edilmediği simülasyonlarda yağışın daha geniş alanlara yayıldığı ve daha yüksek değerlere ulaştığı görülmüştür. Bu kombinasyonda derin bir siklon oluşmaması, yağışın daha geniş alanlara dağılmasına neden olmuştur. Birçok simülasyonda tropikal benzeri siklon yapılarının geliştiği gözlenmiş ve bu siklonların uygulanan pertürbasyon konfigürasyonuna son derece duyarlı olduğu belirlenmiştir. Seçici-zorlama deneylerinde en yüksek rüzgâr şiddeti 132–181 km h⁻¹ aralığında, en düşük deniz seviyesi basınçları ise 995 hPa'dan 975 hPa'ın altına kadar düşmüş, bazı konfigürasyonlarda yaklaşık 969–970 hPa değerlerine ulaşmıştır. Basit okyanus modeli kullanılan deneyler, siklon kaynaklı deniz yüzeyi soğumasının hava–deniz enerji akılarını zayıflattığını ve bu nedenle siklon şiddetlenmesini sınırlandırdığını göstermektedir. Bu durum, sabit deniz suyu sıcaklığı kullanılan VKI simülasyonlarına kıyasla daha zayıf bir sıcak çekirdek yapısının gelişmesine yol açmaktadır. Bu çalışmada kullanılan VKI metodu, geçmişte yaşanan bir olayın gelecekteki iklim koşulları altında nasıl değişebileceğini incelemek için güçlü ve kullanışlı bir çerçeve sunmaktadır. Bununla birlikte, bu yaklaşım büyük ölçekli atmosferik dolaşımlardaki olası kaymaları ve bu tür olayların gelecekteki görülme sıklığındaki değişimleri doğrudan temsil etmemektedir. Bu nedenle elde edilen sonuçlar, benzer sinoptik koşulların oluştuğu varsayımı altında değerlendirilmelidir. Bu çalışma, gelecekteki iklim ısınmasının Karadeniz üzerinde aşırı yağışları ve blackcane oluşumunu önemli ölçüde artırabileceğini ortaya koyarken, etkileşimli atmosfer–okyanus süreçlerinin dikkate alınmasının hem fiziksel gerçekçilik hem de afet risklerinin doğru değerlendirilmesi açısından kritik olduğunu vurgulamaktadır.

Özet (Çeviri)

Anthropogenic climate change has a strong influence on the climate of the Mediterranean and Black Sea basins. The rapid increase in air temperature and sea surface temperature (SST) creates a more conducive environment for extreme weather events, such as short-duration torrential precipitation. Previous studies using General Circulation Models (GCMs) and in-situ observations have identified the Mediterranean Basin as a climate-change hotspot. Modeling studies for future periods suggest that near-surface air temperature increases over the Mediterranean are projected to range from 1.83°C to 8.49°C in CMIP6 models and from 1.22°C to 6.63°C in CMIP5 models. A recent modeling study focusing on the Black Sea basin indicates that an air temperature increase of approximately 3°C is expected for the period 2061–2070 relative to the 2005–2014 reference period. Combined with increasing SSTs, these changes make the Black Sea basin highly sensitive and vulnerable to extreme weather events, as demonstrated by case studies showing that SST warming can lead to extreme precipitation and even the formation of tropical-like cyclones, commonly referred to as Blackcanes. In this study, the Pseudo-Global Warming (PGW) method is applied to the Bozkurt flash flood event that occurred in August 2021, which resulted in approximately 350–450 mm of precipitation at several weather stations in northern Türkiye. The PGW method provides an efficient framework to investigate how such an event may evolve under future climate conditions by perturbing reanalysis data, rather than dynamically downscaling Earth System Models (ESMs). Three emission scenarios are considered: Shared Socioeconomic Pathways SSP2–4.5, SSP3–7.0, and SSP5–8.5, using 20 models for SSP2–4.5 and SSP3–7.0 and 25 models for SSP5–8.5. Climate-change deltas (Δ) are computed from these models and added to the reanalysis data. The reference period is defined as 1990–2014, while three future periods, 2025–2049, 2050–2074, and 2075–2099, are selected and referred to as NearFut, MiddleFut, and FarFut, respectively. Climate-change deltas are computed for air temperature, SST, relative humidity, horizontal wind components, and surface pressure. The simulations are divided into two parts: first, perturbing all variables, and second, conducting selective-forcing sensitivity experiments, including cases with no dynamical changes (horizontal wind components unperturbed), no dynamical and no surface pressure changes, and no dynamical and no relative humidity changes. For the selective-forcing experiments, additional simulations are performed using a slab ocean model to account for atmosphere–ocean coupling effects. All simulations are conducted using the Weather Research and Forecasting (WRF) model at 3 km horizontal resolution, with a domain centered over the Black Sea and covering its surrounding area, driven by ERA5 reanalysis data. The results indicate a clear intensification of the Bozkurt heavy precipitation event under future climate conditions. The control simulation reproduces the event with a maximum accumulated precipitation of 632 mm, a maximum near-surface wind speed of 89 km h⁻¹, and a minimum sea-level pressure of 1003 hPa. In the full-forcing PGW experiments, maximum accumulated precipitation increases to 803–1220 mm for SSP2–4.5 (27% to 93%), 911–1138 mm for SSP3–7.0 (44% to 80%), and 923–1208 mm for SSP5–8.5 (46% to 91%). The spatial extent of extreme precipitation also expands substantially, with the number of grid cells exceeding 100 mm increasing from approximately 15000 in the control simulation to about 32000–35000 in the SSP5–8.5 FarFut simulations. Areal-total precipitation increases systematically with warming, reaching nearly a twofold increase in the SSP5–8.5 FarFut five-day spin-up simulation relative to the control. Selective-forcing PGW simulations produce maximum accumulated precipitation ranging from approximately 720 to 1450 mm (14% to 129%), and the strongest FarFut simulations reach nearly three times the control precipitation in the configuration where relative humidity is unchanged. These increases are attributed to enhanced low-level convergence and stronger vertical velocities. In addition, increases in SST and air temperature increase the moisture-holding capacity of the atmosphere, leading to an intensification of precipitation. In many simulations, a tropical-like cyclone structure develops, and its intensity is highly dependent on the applied perturbation configuration. In the selective-forcing experiments, maximum wind speeds range from approximately 132 to 181 km h⁻¹, while minimum sea-level pressure values range from about 995 hPa to below 975 hPa, reaching approximately 969–970 hPa in the most intense configuration. Slab ocean model experiments further demonstrate that atmosphere–ocean coupling weakens air–sea fluxes relative to prescribed SST simulations by allowing SSTs to evolve in response to atmospheric forcing, primarily due to cyclone-induced SST cooling. As a result, cyclone intensification is reduced compared to prescribed-SST PGW simulations, and the deep warm-core structure is generally weaker. Overall, these results indicate that future warming can substantially amplify extreme precipitation and Blackcane formation over the Black Sea, while interactive atmosphere–ocean coupling is crucial for avoiding overestimation of cyclone intensification in prescribed-SST PGW experiments. The PGW method employed in this study provides a useful framework for examining how a past event may evolve under future climate conditions. However, this approach does not explicitly represent potential shifts in large scale atmospheric circulation. Therefore, the results should be interpreted under the assumption that similar synoptic conditions occur.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1020320

    Türkiye'de yaşlanan rüzgâr enerji santrallerinin yeniden güçlendirme potansiyelinin teknik ve ekonomik analizi

    Technical and economic assessment of repowering potential in aging onshore wind farms in Türkiye

    İPEKNUR HAZAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Ekonomiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ELÇİN TAN

  2. Tez No

    990553

    Hydrological modeling using high spatio-temporal resolution climate data : A case study for Bozkurt, Kastamonu

    Yüksek uzamsal-zamansal çözünürlüklü i̇kli̇m veri̇si̇ i̇le hi̇droloji̇k modelleme : Bozkurt (Kastamonu) örneği̇

    ECE İLDEM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET LEVENT KURNAZ

    DR. MUSTAFA TUFAN TURP

  3. Tez No

    988117

    GSM baz istasyonlarının sürdürülebilir enerji ihtiyacı için taşınabilir radyoizotop termoelektrik jeneratör (RTG) tasarımı

    Sustainable GSM base station energizing using portable radioisotope thermoelectric generator (RTG) design

    ERDEM HAYAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSKENDER ATİLLA REYHANCAN

  4. Tez No

    772129

    Convection-permitting climate simulations for the 21st century based on SSP3-7.0 scenario over the Black Sea basin

    Karadeniz havzası üzerinde 21. yüzyıl için SSP3-7.0 senaryosuna dayalı konveksiyona izin veren iklim simülasyonları

    MEHMET BARIŞ KELEBEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL

  5. Tez No

    982565

    Assessing climate change impacts at sub-daily scale using convection-permitting climate simulations in northwestern Türki̇ye

    Kuzeybatı Türkiye'de konveksiyona izin veren iklim simülasyonları kullanılarak günlük-altı ölçekte iklim değişikliği etkilerinin değerlendirilmesi

    CEMRE SONUÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YURDANUR ÜNAL

Geri Dön