Marmara geçiş iklimi sahasında yağışların istatistiksel ve sinoptik analizi
Statistical and synoptic analysis of precipitation in the Marmara transitional climate region
Yazar: MEHDI AALIJAHAN
Danışman: DOÇ. DR. ATİLLA KARATAŞ
Marmara Üniversitesi / Sosyal Bilimler Enstitüsü / Coğrafya Ana Bilim Dalı / Coğrafya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Coğrafya = Geography
Dizin: Küresel ısınma = Global warming ; Marmara bölgesi = Marmara region ; Sinoptik analiz = Synoptic analysis ; Yağış etkinliği = Rainfall activity ; Yağış miktarı = Precipitation amount ; Yağışlar = Rainfall ; İstatistiksel analiz = Statistical analysis

Özet:
İklim parametreleri arasında sıcaklık ve yağış parametreleri büyük değer ve önem taşımaktadır. Bir bölgedeki yağış miktarı, kısa ve uzun vadeli değişimleri ve dalgalanmaları bitki, hayvan ve insanlar üzerinde önemli etkilere sahiptir. Bu kapsamda özellikle sosyal-ekonomik ve stratejik önemi nedeniyle çalışmada Türkiye'nin Marmara Bölgesi'ndeki yağışların istatistiksel-sinoptik analizi yapılmıştır. Mevcut araştırma çevreselden atmosferik dolaşıma bakış açısına göre yapılmıştır. Çalışmada öncelikle bölgedeki genel yağışlar istatistiksel olarak araştırıldı ve daha sonra Marmara Bölgesi'nde oluşan yaygın aşırı yağışlar sinoptik açıdan incelendi. Bu araştırmayı yürütmek için, sinoptik gözlem istasyonları ve üst atmosfer verilerinden 61 yıl (1960 - 2020) zaman faydalandı. 
Araştırmanın amaçlarına ulaşmak için bir dizi klimatolojik araştırma yöntemi kullanıldı. Öncelikle bölgede oluşan yağışlar dikkatle izlenerek onların uzun vadeli ve kısa vadeli değişim ve dalgalanmalar incelendi, ardından bölgedeki mekânsal dağılım belirlendi. Küresel ısınmanın Marmara Bölgesi'ndeki yağışların eğilimine etkisini araştırmak için NOAA'nın okyanus ve kara sıcaklık dalgalanmaları endeksi veri seti kullanıldı. Daha sonra bu yağışlara neden olan atmosferik koşulları anlamak için sinoptik analizler yapıldı. Öte yandan bölgedeki yağışların simülasyonu ve öngörüsü için MLP-YSA modeli kullanıldı.
Bu araştırmadan elde edilen sonuçlar, incelenen istasyonlarda uzun süreli yağış zaman serilerinin yukarı ve trendsiz trendinin düşüş trendinden daha üstün olduğunu göstermektedir. Periyodik ve kısa vadeli eğilimler açısından, çoğu istasyonun zaman serisinde iki yükselen dönem (1960'tan 1964-1966'ya kadar) ve (1992'den 2014-2016'ya kadar) ve iki azalan dönem (1964-1966'dan 1992'ye kadar) ve (2014-2016'dan 2020 yılına kadar) meydana gelmiştir. Mann-Kendall testi sonuçları, incelenen istasyonların çoğunda yağış zaman serilerinde anlamlı bir değişiklik olduğunu göstermiştir. Bu trend değişikliği aşağı yönlü tipte 9, artan tipte 4 istasyonda meydana gelmiştir. Bölgedeki yağışın mekânsal dağılımı, yıllık yağış miktarının en yüksek miktarı bölgenin kuzeydoğu ve kuzey bölgelerine bağlı olduğunu ve bu bölgelerden uzaklaştıkça yağış miktarının azaldığını ve doğu bölgelerinde minimuma ulaştığını göstermiştir. Yağışların mevsimlere göre dağılımı incelendiğinde, en fazla yağışın önce sonbahar mevsiminde, ardından kış, ilkbahar ve yaz mevsimlerinde düştüğü görülmektedir. Ayrıca araştırmalar, küresel ısınmanın bölgedeki istasyonlardaki yağış eğilimi ve miktarı üzerindeki etkisinin sınırlı, ancak olumlu olduğunu göstermiştir; bazı istasyonlarda yıllık ve aylık bazda küresel sıcaklıktaki artışın bu istasyonlarda yağışlarda artışa neden olduğu belirtilmiştir. Bu araştırmada tasarlanan sinir ağı modeli, bölgede meydana gelen yağış miktarını iyi bir şekilde simüle edebildi ve 2027 yılına kadar yapılan öngörüye göre tüm bölgede yağış miktarı için tamamen bir artış eğilimi göstermektedir; bu tahmin, son 61 yılda bölgedeki yağış eğilimi ile tamamen tutarlı olmaktadır.
Aşırı yağışlı günlerin eşik sınırının belirlenmesinden elde edilen sonuçlar, aşırı yağışlı günlerin eşik sınırının maksimum değerinin bölgenin güneybatı kıyıları ile ilgili olduğunu ve bu konuda Karadeniz kıyılarının ikinci sırada olduğunu göstermiştir. Ayrıca, en düşük değer çalışma alanının doğu kesimlerine bağlı olmaktadır. Genel olarak kıyı şeridinden uzaklaşılarak bölgedeki şiddetli yağışların miktarı ve şiddeti azalmaktadır. Son 61 yılda meydana gelen aşırı yağışların yoğunluk eğilimi, 7 istasyonda artış, 5 istasyonda azalma ve 3 istasyonda belirli bir trend olmadığını göstermektedir. Ancak bu tip yağışların frekans sıklığı 2 istasyon dışında kalan istasyonlarda hep artış göstermiştir. Bu tür yağışların istasyonlar arasında aylık görülme sıklıklarına bakıldığında en fazla aralık ayında, en az ise ağustos ayında meydana gelmektedir. Mevsimsel görülme sıklığı açısından ise maksimumu sonbahar mevsiminde, minimumu ise yaz mevsiminde görülmektedir. Marmara Bölgesi'nin tamamında aşırı yağışların şiddet yoğunluğu belirli bir eğilim göstermemiştir, ancak bu tür yağışların frekans sıklığı 61 yıl boyunca hep artış eğilimi göstermiştir. Marmara Bölgesi'nde bu yağış türünün aylık olarak en yüksek frekansı aralık ayında, en az ise haziran ayında olmuştur. Mevsimsel frekans açısından maksimumu sonbaharda, minimumu ise ilkbaharda olmuştur.
Hiyerarşik kümeleme yöntemleri ve faktör analizi ile yapılan analizlere dayanarak, bölgede yaygın şiddetli yağışlara yol açan 500 hPa 11 jeopotansiyel yükseklik deseni ve 12 yer yüzeyi basıncı deseni tanımlandı ve çıkarıldı. Çıkarılan 500 hPa jeopotansiyel yükseklik desenleri, bölgede bu tür yağışların meydana gelmesinde cut off alçağı blokinglerin ve derin oluk oluşumlarının daha büyük etkisinin olduğunu göstermektedir. Öte yandan, çıkarılan yer yüzeyi basınç desenlerinin analizi, bölgede yaygın aşırı yağışlar sırasında, çoğu durumda, aynı anda iki antisiklonun, Sibirya ve Azorların aktivitesini gördüğümüzü de gösterdi. Antiksiklonlardan farklı olarak, bölgede aşırı yaygın yağışlar sırasında birçok farklı siklon (İzlanda siklonu, Kuzey Rusya ve Barents Denizi siklonu, Güney Ege denizi siklonu, Batı Rusya siklonu, alt kutup siklonu, güneybatı Türkiye ve Doğu Akdeniz siklonu) aktivitesini göstermektedir. 
İncelenen tüm atmosfer seviyelerinde yaygın şiddetli yağışların olduğu birçok günlerde, bölgenin atmosferi üzerinde her zaman negatif eddy ve pozitif vortisitilerin hâkimiyetine tanık olduk. Öte yandan, bölgede üretilen istikrarsızlıkların yoğunluğunu artıran ve aşırı yağışların oluşmasında çok yardımcı olan, bölgede yaygın aşırı yağışların meydana gelmesi sırasında çoğu zaman atmosferik jet akımların aktivitesini görüyoruz.
Bölgede bu tip yağışların oluşmasında aktif cephe oluşum alanları da özel rol oynamıştır. Üst seviyelerde, uzak cephe oluşum merkezleri ve yer yüzeyine yakın seviyelerde, bölgeye daha yakın cephe oluşum alanlarının rolü (Karadeniz'in cephe oluşum merkezleri ve Türkiye'nin kuzey ve güneybatı bölgeleri ve Marmara Bölgesi'nin kendisi) görülebilir. Ayrıca, bölgedeki atmosferik seviyelerin çoğunda negatif omega aktivitesini her zaman görüyoruz, bu da bölgedeki yukarı yönlü akımların hâkimiyetini göstermektedir.
Bölgede meydana gelen yaygın aşırı yağışların nem temini farklı kaynaklardan yapılmıştır. Üst atmosfer seviyelerinde, esas olarak 500 ila 850 hPa seviyelerinde üflenen nem, Atlantik Okyanusu, Kuzey Denizi, Baltık Denizi, Adriyatik Denizi, Akdeniz, Ege Denizi ve Marmara Deniz'in nem kaynaklarından nemi Marmara Bölgesi'ne pompalamış ve yer yüzeyine yakın seviyelerde, 925 ve 1000 hPa seviyelerinde Karadeniz, Marmara Denizi, Fars Körfezi, Umman Denizi, Hazar Denizi ve Kızıldeniz'den nemi bölgeye yönlendirmiştir. Atmosferin üst seviyelerinde, uzak bölgelerin nem akısı konverjans merkezlerinin rolü ve yer yüzeyine yakın seviyelerde, çalışılan alana yakın nem akısı konverjans bölgelerinin rolü, özellikle Karadeniz üzerinde oluşan nem akısı konverjans merkezleri bu yağışların nem sağlamasında görülmektedir. Aşırı yaygın yağış meydana geldiği günlerde yağışa dönüşe bilen su miktarı haritalarının incelenmesi, bu tür yağışların meydana geldiği dönemde bölgenin atmosferinde çok büyük miktarda yağışa dönüşe bilen su varlığına işaret etmektedir.
Genel olarak Marmara Bölgesi'nde yaygın olarak görülen aşırı yağışlar döneminde bir yandan farklı kaynaklardan çok büyük miktarda nemin transfer edilmesi nedeniyle bölge atmosferine gerekli nemin sağlandığı söylenebilir. Öte yandan, üst seviyelerde ve yer yüzeyinde farklı basınç sistemlerinin hâkimiyeti nedeniyle, bölgede taşınan nemli hava kütlesinin yükselmesi ve istikrarsızlıkların oluşması için gerekli koşullar tam olarak sağlanmış ve tüm bu koşulların bir yerde toplanmasının sonucu bölgede yaygın aşırı yağışların meydana gelmesi olmuştur.

Anahtar Kelimeler: Aşırı Yaygın Yağışlar, Atmosferik Desenler, Küresel Isınma, MLP-YSA Modeli, Marmara Bölgesi.

Abstract:
Among the climatic parameters, temperature and precipitation are of great value and importance. The amount of precipitation in a region, and its short- and long-term changes and variations have significant impacts on plants, animals, and humans. In this context, a statistical synoptic analysis of precipitation in the Marmara region was carried out in the study, especially due to its socio-economic and strategic importance. The present study was conducted from the perspective of environmental to atmospheric circulation. In the study, first, the general precipitation in the region was statistically investigated and then the widespread extreme precipitation in the Marmara region was analyzed from a synoptic point of view. For this investigation, 61 years (1960 - 2020) of data from synoptic observatories and the upper atmosphere were used.
Numerous climatological research methods were used to achieve the objectives of the study. First, precipitation in the region was carefully monitored and its long- and short-term changes and variations were studied, then the spatial distribution in the region was determined. To investigate the effects of global warming on the precipitation trend in the Marmara region, the NOAA ocean and land temperature anomaly dataset was used. Then, synoptic analysis was performed to understand the atmospheric conditions that caused these precipitations. On the other hand, the MLP-ANN model was used to simulate and predict precipitation in the region.
The results of this study show that the upward and trendless slope of the long-term precipitation time series at the studied stations is higher than the downward slope. As for the periodic and short-term trends, there are two upward periods (from 1960 to 1964-1966) and (1964-1966 to 1992) and two downward periods (from 1992 to 2014-2016) and (from 2014-2016 to 2020) in the time series of most stations. The results of the Mann-Kendall test show that the trend of the precipitation time series changed significantly at most stations. This change in trend occurred at nine stations of the descending type and at four stations of the ascending type. The spatial distribution of precipitation in the region showed that the highest annual precipitation is in the northeastern and northern parts of the Marmara region, while the precipitation decreases with increasing distance from these regions and reaches a minimum in the eastern parts. The distribution of precipitation by season shows that the highest precipitation falls first in autumn and then in winter, spring and summer. In addition, studies have shown that the effects of global warming on the precipitation trend and amount at stations in the region are limited but positive; it was found that the increase in global temperature on an annual and monthly basis causes an increase in precipitation amount at some stations. The neural network model developed in this study was able to simulate the precipitation amount in the region well and shows a completely increasing trend for the precipitation amount in the whole region according to the prediction until 2027; this prediction is in complete agreement with the precipitation trend in the region in the last 61 years.
The results of determining the threshold of extreme precipitation days showed that the maximum is on the southwestern coast of the region, while the Black Sea coast is in the second place. The lowest value is recorded in the eastern parts of the study area. In general, the amount and intensity of extreme precipitation in the region decreases as one moves away from the coast. The intensity trend of extreme precipitation in the last 61 years shows that there is an increase in seven stations, a decrease in five stations, and no particular trend in three stations. However, the frequency of this type of precipitation has always increased except in two stations. Looking at the monthly frequency of such precipitation at the stations, it occurs most frequently in December and least frequently in August. As for the seasonal frequency, the maximum occurs in autumn and the minimum in summer. The intensity of extreme precipitation does not show any particular trend throughout the Marmara region, but the frequency of such precipitation has always shown an increasing trend for 61 years. In the Marmara region, the monthly frequency of this type of precipitation was highest in December and lowest in June. As for the seasonal frequency, the maximum was in autumn and the minimum was in spring.
Based on the analysis using hierarchical clustering methods and factor analysis, 11 patterns of 500 hPa geopotential highs and 12 patterns of sea surface pressure were identified and extracted, leading to widespread extreme precipitation in the region. The extracted 500-hPa geopotential high patterns show that cut-off low blocking and deep trough formation have a greater influence on the occurrence of widespread extreme precipitation in the region. On the other hand, the analysis of the extracted sea surface pressure patterns also showed that during the widespread extreme precipitation in the region, the activity of two anticyclones, Siberia and Azores, is observed simultaneously in most cases. In contrast to the anticyclones, the analysis shows many different cyclone (Iceland cyclone, North Russian and Barents Sea cyclone, South Aegean sea cyclone, West Russian cyclone, subpolar cyclone, southwest Turkey and Eastern Mediterranean cyclone) activities during the occurrence of this type of precipitation in the region.
On many days with widespread extreme precipitation at all atmospheric levels, we have always observed the dominance of negative eddy and positive vorticity over the atmosphere of the region. On the other hand, on most days the activity of atmospheric jet streams was observed during the occurrence of widespread extreme precipitation in the region, thus these factors increased the intensity of instabilities generated in the region and helped immensely in the occurrence of the extreme precipitation.
Active frontal formation areas also played a special role in the occurrence of this type of precipitation in the region. In the upper atmospheric levels, the distant frontal formation centers, and in the near-surface levels, the frontal formation areas closer to the region (the Black Sea and the northern and southwestern regions of Turkey, as well as the Marmara region of the frontal formation centers) can be seen. Moreover, the omega activity was always negative at most atmospheric levels in the region, indicating the dominance of the upwelling air currents in the region.
The moisture for the extreme precipitation that was widespread in the region came from a variety of sources. In the upper atmospheric levels, mainly at levels of 500 to 850 hPa, moisture was pumped into the Marmara region from the Atlantic Ocean, the North Sea, the Baltic Sea, the Adriatic Sea, the Mediterranean Sea, the Aegean Sea, and the Sea of Marmara, and in the near-surface levels between 925 and 1000 hPa, moisture was mainly directed into the region from the Black Sea, the Sea of Marmara, the Persian Gulf, the Arabian Sea, the Caspian Sea, and the Red Sea. The role of convergence centers of moisture fluxes of distant regions in the upper atmospheric levels and convergence centers of moisture fluxes near the studied area in the near sea surface levels, especially the centers formed on the Black Sea, is evident in the moisture supply of this type of precipitation. The analysis of the maps of precipitable water content on days with extreme precipitation shows that there is a very large amount of precipitable water in the atmosphere of the Marmara region.
It can be said that during the occurrence of extreme precipitation in the Marmara region, on the one hand, the atmosphere of the region was provided with the necessary moisture by the transfer of a large amount of moisture from various sources and, on the other hand, by the dominance of various pressure systems in the upper levels and at the sea surface, the necessary conditions for the rise of the humid air masses in the region and the formation of instabilities were fully created, and the result of the accumulation of all these conditions in one place was the occurrence of widespread extreme precipitation in the Marmara region.

English Keyword: Widespread Extreme Precipitation, Atmospheric Patterns, Global Warming, MLP-ANN Model, Marmara Region.