Akdeniz üzerinde 21.yüzyıl iklim simülasyonlarının iki ayrı yüzey modeliyle karşılaştırmalı incelenmesi
Comparision of 21st century climate simulations driven by two different surface model over the mediterranean region
Yazar: MERVE AÇAR
Danışman: DOÇ. BARIŞ ÖNOL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Hava durumu ve daha uzun zaman ölçeğinde iklim değişikliğini tahmin etmenin tek yolu bilgisayar modellerini kullanmaktır. Atmosferin kompleks yapısına ve altında yatan fizik yasalarına uygun matematiksel eşitlikleri çözen modeller sayesinde hava ve iklimi tahmin etmek giderek kolaylaşmıştır. Bu çalışmada Akdeniz üzerinde 21. yy iklim simulasyonları iki ayrı yüzey modeliyle karşılaştırılmıştır. BATS ve CLM modelleri arazi yüzey modelleridir. BATS modeli Bölgesel İklim Modelinin arazi modellerinden biri olup, bu modelde bitki örtüsü ve toprak nemi arasındaki ilişkiyi momentum, enerji ve su buharı dengelerini kullanırken, bir diğer yüzey modeli olan CLM ise karbon döngüsü, bitki örtüsü dinamiği ve nehir akışını içeren yüzey modelidir. RegCM4 modeliyle yapılmış bu çalışmada Seçilen bölge, Dünya İklim Araştırma Programının (WCRP)' ın Koordine Edilmiş Bölgesel "Downscaling" Deneyi'nin Akdeniz Bölgesi için olan konfigurasyonu kullanılmıştır (Med- CORDEX).
Yapılan simulasyonlarda RegCM4 modeli tarafından 50 km'lik yatay çözünürlük, düşeyde ise 18 seviye ile kullanılmıştır. Model 120×82 grid matrisindedir. Kümülüs parametrizasyonu olarak Grell (1993), radiatif transfer fiziği için CCM3 (Kiehl vd., 1996), arazi modeli için hem BATS (Dickinson vd., 1993) ve CLM (Steiner vd., 2009), konvektif şeması ise Arakawa ve Schubert (1974) seçilmiştir. Model için sağlanan deniz yüzeyi sıcaklığı verileri ise (SST) Uluslararası Teorik Fizik Merkezinin (ICTP) 'in deniz yüzeyi sıcaklıklarıdır. İki farklı yüzey modelleri ile
koşturulan kontrol simulasyonları 1989-2009 yılları arasında yapılmıştır. Modelde başlangıç ve sınır koşulları için ECMWF'in 1.5x1.50 çözünürüğündeki ERA-Interim veri seti kullanılmıştır.
21 yy. Iklim simülasyonları ise CMIP5 projesi kapsamında oluşturulan RCP senaryolarından RCP8.5 senaryosu kullanılarak yapılmıştır. CMIP5 RCP, gelecek simulasyonları için ise öncelikle yapılan referans simülasyonlar, HadGEM-ES modellerinin referans dönem verileri, gelecek simülasyonlar için ise RCP8.5 çıktıları kullanılmıştır. HadGEM2-ES modelleri Atmosfer-Okyanus Küresel İklim Modeli ile birleşik model olup, atmosferik yatay çözünürlük 1.8750 x 1.250 , düşeyde ise 38 seviyeden oluşur. Okyanus yatay çözünürlüğü 10 olup, ekvatorda ise bu çözünürlük 1/3 oranında artmaktadır, düşeyde ise 40 seviye vardır. Model zaman adımı, kara ve atmosferde 30 dakika, okyanus da ise 1 saattir. CMIP5 RCP, gelecek simulasyonları için ise öncelikle yapılan referans simülasyonlar, HadGEM-ES tarihsel verileri 1970- 2000  arası  kullanılarak,  modele  başlangıç  koşulları  olarak  verilmiştir.  Referans
periyodları BATS ve CLM modelleri tarafından koşturulan model çıktıları ayrı ayrı incelenmiştir. Referans simülasyonları da CRU veri setiyle karşılaştırılmış, modellerin bu periyottaki taraflılığı görülmüştür. Gelecek simülasyonları ise HadGEM2 modelinin RCP8.5 çıktıları kullanılarak koşturulmuştur. RCP8.5 çıktıları 3  farklı  30  yıllık  periyotlarda  (2011:2040),  (2041:2070),  (2070:2100)  ayrı  ayrı
 
incelenmiştir ve referans simülasyonlarından ola farklara bakılarak 2100 yılına kadar radiatif zorlama baz alınarak hangi bölgeler de ne kadar farkların oluştuğu incelenmiştir.
Bu karşılaştırmaları iki farklı şekilde ayırırsak, ERAINT sıcaklık sonuçlarının BATS modelinde Kış aylarında Türkiye üzerinde özellikle, Türkiyenin Ege Bölgesi ve kıyılarında model gözleme göre -2 ila -30C daha soğuk değerler üretirken, CLM modeli, BATS modeline göre hemen hemen tüm aylarda gözleme ve BATS modeline göre daha soğuktur. Bu sıcaklık farklarının benzerleri Referans dönem simülasyon BATS, CLM çıktılarında da görülmektedir. Bu karşılaştırılmalarda en çok dikkat çeken ilkbahar aylarında görülen BATS modelinin Balkan, Karpatlar ve Kuzeydeki ciddi sıcaklık farklılıklarıdır. Maksimum sıcaklıklarda en büyük farklar
Yaz aylarında görülmektedir. CLM çıktıları BATS modeline göre 2 metredeki sıcaklıklarda daha soğuk değerler ürettiği görülmüştü, aynı farklılıklar maksimum sıcaklık değerlerinde de görülmektedir. Toplam yağışa bakıldığında ise kış aylarında model alanı içinde çoğu yerde gözlem verilerinden daha fazla yağış üretilmiştir. Bu farklar 50 ila 100 mm arasında değişirken, CLM modelinin yağış çıktısı BATS modeline nazaran daha az, gözleme göre daha yakın değerler ürettiği gözlenmiştir.
HadGEM2 RCP8.5 çıktıları kullanılarak yapılan gelecek simülasyonlar karşılaştırılmalarında ise, 2011:2040 periyotlarından 1970-2000 Referans simülasyonları çıkarıldıktan sonra görülen BATS sıcaklık farklarında, kış ayları sıcaklıklarında    Türkiye    üzerinde    1    ile    1.50C    civarında    sıcaklıklar    artış
görülmekteyken, CLM modeli çıktılarında ise özellikle ilkbahar aylarında sıcaklık artışları Türkiye üzerinde BATS modeline göre biraz daha farklılık gösterirken bu artış 2.5 ve 3.50C'leri bulmaktadır. 2070:2100 yıları son 30 yıllık periyotda ise durum, BATS çıktılarının referans simülasyonlardan olan farkları diğer periyotlara nazaran bu zaman aralığındaki sıcaklık artışlarının son derece yüksek olması açısından önemli olduğunu gösterir. Yağış sonuçlarına bakıldığında ise farkların oldukça dramatik olduğu görülmektedir. Her iki model sonuçlarında da özellikle yazın  ve  sonbahar  yağışlarında  Avrupanın  İspanya,Portekiz  ve  Türkiyenin  batı
kesimlerinde ciddi yağış azalışları kuraklık sorununu gündeme getirmektedir.

Abstract:
The only way to predict the day-to-day weather and changes to the climate over longer timescales is to use computer models. These models solve complex mathematical equations that are based on well established physical laws that define the behaviour of the weather and climate. This models give us more reliable results. In this study, all the simulations are performed by Regional Climate Model (RegCM version 4) developed by  The Abdus Salam International  Centre for Theoretical Physics (ICTP). The 21st century climate simulations are produced by two different land surface schemes with RegCM4 over Mediterranean Sea. Main focus of this study is to compare the differences between the simulations driven by Biosphere- Atmosphere Transfer Scheme (BATS) and Community Land Model (CLM). These land surface schemes are important for computing the atmosphere-land surface processes. BATS model solves vegetation and soil moisture by using momentum, water and energy balance on surface. On the other hand, CLM model is included carbon cycles, dynamical vegetation and river routine types. Model domain is specialized for the World Climate Research Programme's (WCRP) Coordinated Regional Downscaling experiment configuration, which is used for the Mediterranean region (MedCORDEX).
All the simulations are performed with a 50-km resolution horizontally. Vertical resolutions include 18 sigma levels. The model domain has a 120x82 grid cell. Grell is used for the cumulus parametrizations and Arakawa-Schubert scheme is selected for convective closure scheme. CCM3 is main scheme is used for the radiative transfer scheme. Sea surface temperature data's are used also. Additionally, land surface models (BATS and CLM) are applied for the RegCM4 simulations, driven by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts data set (ERA-Interim re- analysis) for the period of 1989–2010, to test the sensitivity of the surface conditions. CMIP5 RCP8.5 scenario have been applied for the 21st century simulations and HadGEM2-ES simulations are used for initial and boundary conditions to produce reference and future simulations of regional climate model. The HadGEM2 family of climate models represents the second generation of HadGEM configurations with additional functionality including a well-resolved stratosphere and Earth System components. HadGEM2 data sets have a horizontal resolution of 1.25 degrees of latitude by 1.875 degrees of longitude, which produces a global grid of 192 x 145 grid cells. Simulations are driven with HadGEM2-ES reference period which includes 1971-2000 and for future CMIP5 RCP simulations are driven between 2011-2040,  2040-2071  and  2071-2100  by  CMIP5  RCP8.5.  BATS  and  CLM
simulations output examined seperately and detaily in this thesis. Moreover, model outputs temperature and precipitation values are compared in detail over the Mediterranean  region  to  investigate  the  areas  where  the  major  differences  and
 
changes are risen. Not only their values are compared but also CLM and BATS performance is discussed.
Reference simulations are compared with Climate Research Data Unit (CRU) data set to test model performance and their biases. Future simulations are driven by HadGEM2-ES RCP8.5 data and their outputs also investigated detaily. 2011- 2040,2041-2070 and 2070-2100 periods are observed seperately and also their anomalies which is ssubtract by referance periods are also discussed in this thesis.
If we separete this solutions by two, simulations driven by ERA-Interim indicate that the surface temperature results for BATS simulation during the winter over Turkey, particularly, Aegean Region and Turkey coastal areas are colder than observed data. BATS solutions approximately -2°C colder than ERA-Interim. However, CLM simulation for almost all months are colder than BATS results. The maximum difference between the CLM and BATS simulations is found during the summer months, since the BATS simulation have warm bias but the CLM simulation still have cold bias. Same differences  are also examined in  maximum surface temperature. The precipitation simulation for BATS shows that the model overestimates the precipitation almost all over regions. CLM also overestimates the results but it is not as high as corresponding the BATS simulation.
When we subtract first period of this work which is included 2011-2040 BATS and CLM RCP8.5 future data's from reference period (1970-2000), average temperature differences  are  seen  by  results.  Our  investigation's  show  that,  BATS  average temperature results in winter are more warmer than referance period with a 1-1.5°C. Additonaly, CLM outputs are usually same with BATS results but some periods and regions CLM is warmer especially in spring. 2-3°C are warmer over Turkey from referance  period  in  spring.  Second  period  of  this  work,  includes  2040-2070, differences are becoming more dramatical. Because of warming climate, BATS especially summer and spring months are warmer about 4-5°C more. Moreover, anomalies are reached 5°C at Turkey's east region. CLM results are parallel of this results. It is also warmer and is increasing more in Turkey's east regions also. Third and last period of this work (2070-2100) results are reached more critical level than the previous periods. Increasing temperatures affect all over the domain. Almost, all region's average temperature's from model domain is increasing. Though, summer, winter, spring and autumn's temperature averages are increasing with a more than 4°C. In summer, Turkey's east and Spain are facing more warming and the results which is 6-8°C are more dramatical than the other regions.
Precipitation results are also dramatical too. All evaluations are calculated same procedure with temperature. Results are shown that, more dry climate will should be happened in future. In first period of this work, precipitations are increasing by 100 mm in Alpine Region and North Italy, on the other hand, in Turkey and also Mediterrean coast and Turkey's GAP Region's precipitations are decreasing by 100 mm range. In autumn months, Spain and Portugal coast's precipitations are decreasing too. Second period of this work shows us that Turkey's south rain regime becoming change. CLM results mostly in spring, Adriatic and North Italy and Alpines precipitations are decreasing by 100mm, same season Mediterrean and South Region of Turkey are facing this decreasing too.
If we look the snow water thickness results, all dramatic changes in future are also same for this parameter. When we see the results, it is obvious that Spring and winter snow's regimes will should be changing and decreasing ofcourse. In Alpine region, Russian and South Region of Turkey which are more higher region, snow thickness should be with a 50-150 mm decreasing in this regions. Between 2070-2100 periods,
 
decreasing with 300 mm are seen in Alpine regions and Turkey's east higher regions. Also CLM and BATS results are similar with each others and they both decreasing all periods in winter and spring months.