Yukarı Fırat havzasındaki mevsimsel kar erimesinin WRF-ARW simülasyonu ve uydu verileri kullanılarak incelenmesi : Mart 2004 örneği
Investigation of seasonal snow melting by using WRF-ARW simulation and satellite data in the Upper Fırat basin: March 2004 case
Yazar: ELİS GÜLER
Danışman: DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
İklim değişikliği çalışmaları sonucunda, 20. Yüzyılda Kuzey Yarım Küre yüzey sıcaklığında görülen 0.6C artışın büyük kısmı, son elli yıl içerisinde antropojenik etkilere bağlı olarak gerçekleşmiştir. Farklı Temsili Konsantrasyon Yolu (RCP) değerleri başlangıç koşulu olarak kabul edilerek koşturulan global ölçekli iklim modelleri çıktılarına göre, 21. Yüzyılın sonuna kadar ortalama yüzey sıcaklığındaki artış 2C'yi aşacaktır. Yükselen sıcaklık değerleri ile subtropikal iklim görülen Akdeniz kuşağı ülkelerinde toplam yağış miktarı ve toprak nemindeki azalma sebebiyle yağış rejimlerinde değişiklikler öngörülmektedir. Özellikle Akdeniz kuşağı ülkelerinde iklim değişikliği sebebiyle kuraklık öngörüldüğünden, su potansiyeli ciddi bir endişe kaynağı haline gelmektedir. Bu sebeple, iklim değişikliğin su kaynakları ve su yönetimi üzerine etkileri global ölçekte popüler bir konu haline gelmiştir. 

Meteoroloji Genel Müdürlüğü'ne ait Meteoroloji Gözlem İstasyonları'ndan elde edilen 2003 ve 2004 yılına ait verilere göre, Yukarı Fırat Havzası'nda 22-23 Şubat 2004 tarihlerinde mevsim normallerinin üzerinde kar yağışı gerçekleşmiştir. Ekstrem kar yağışının ardından, kar yüksekliğinde ani azalma tespit edilmiştir. Yukarı Fırat Havzası'nda mayıs ayı itibariyle gerçekleştiği bilinen kar erimesinin, 2004 yılında Mart ayında gerçekleştiği görülmektedir. Ekstrem kar yağışı ile biriken kar örtüsünün eriyerek yüksek kotlardan akışa geçmesiyle, nehir yatağı üzerinde yer alan barajların maksimum doluluk kapasitesine, Mart ayında ulaşılmıştır. Tarihinden önce gerçekleşen bu olay sebebiyle, Fırat Nehri üzerinde yer alan Keban, Karakaya, Birecik ve Atatürk Barajlarının dolu-savak kapaklarının açılması ihtiyacı doğmuştur. Yukarı Fırat Havzası'nda nehirleri besleyen temel su kaynağı, eriyen kar örtüsünün sebep olduğu yüzey akışı olduğundan, Elektrik İşleri Etüt İdaresi'ne ait Akım Gözlem İstasyonları'ndan havza sınırları içerisinde yer alanların akım ölçümleri değerlendirilmiştir. Akım gözlem istasyonlarının alınan verilerin sonuçlarına göre, nehirlerin akım miktarlarında ani ve ekstrem değişiklikler meydana geldiği tespit edilmiştir. 

Bu tez çalışmasında, değişen iklim koşullarının etkisiyle, ülkemizdeki en büyük su havzası olan Yukarı Fırat Havzası sınırları içerisinde yer alan ve Fırat Nehri üzerine kurulan Atatürk Barajı'nda, 10-14 Mart 2004 tarihleri arasında ilk defa dolu-savak kapaklarının açılmasına sebep olan kar erimesine etkiyen meteorolojik koşullar WRF-ARW simülasyonu ve MODIS Uydu verileri kullanılarak incelenmiştir. 
WRF-ARW sınırlı alan modelinin 3.9.1 versiyonu ile 15 Ekim 2003- 30 Nisan 2004 tarihleri arasında, 15 km yatay çözünürlükte dış çalışma alanı (d01), Hazar Denizi ile İtalya ve Ukrayna ile  Akdeniz'in Mısır kıyılarının sınırlandırdığı bölge ve 5 km'lik yatay çözünürlükle ülkemizin sınırlarını kapsayan iç çalışma alanı (d02) seçilerek 199 günlük simülasyon gerçekleştirilmiştir.  Çalışma alanı seçilirken ve simülasyon süresi belirlenirken, Türkiye'nin coğrafi konumu sebebiyle global ölçekli atmosferik paternler tarafından mevsimsel olarak domine edilmesi göz önünde bulundurulmuş ve bu olayların oluşmasına imkan tanınması açısından geniş bir çalışma alanı seçilmiştir. Simülasyon süresinin belirlenmesinde bir diğer faktör olarak, bölgede kar yağışının başlangıç ve bitiş tarihleri göz önünde bulundurulmuştur. Fırat Havzası'nın orografik özelliklerindeki çeşitlilik göz önünde bulundurulduğunda, yağış tipi ve miktarının daha iyi simüle edilebilmesi açısından, çeşitli çalışmalarla test edilmiş parametrizasyon kombinasyonu uygulanmıştır. Burada, özel olarak Kara Yüzeyi Seçeneği için (sf_surface_physics) 4 numaralı Noah-LP Kara Yüzeyi Modeli (Land Surface Model) kullanılarak, yüzey sıcaklığı, kar derinliği ve yüzey akışı değerlerinden daha iyi sonuç alınmasına odaklanılmıştır. 

Simülasyon sonuçlarına göre, simülasyon başlangıç tarihi olan 15 Ekim 2003 itibariyle, 22 Şubat 2004 tarihine kadar mevsim normallerinde seyreden ortalama sıcaklık trendi, aynı tarih ve ertesi gün gerçekleşen ekstrem kar yağışının ardından, artış eğilimindedir. Ortalama sıcaklık ile birebir ilişkili olan evapotranspirasyon değerleri aynı trendi 2-3 gün kayma ile takip ederken, sıcaklık değerlerindeki ani değişimlerin evapotranspirasyon değerlerine aynı oranda yansımadığı gözlenmiştir. 22 Şubat 2004 tarihinde aniden yükselen ortalama sıcaklık değeri, izleyen 7 günde artmaya devam etmiş ve 01 Mart 2004 tarihinden itibaren mevsim normallerinin üzerinde seyretmiştir. Bu durum tüm meteorolojik değişkenler üzerinde etkili olmuştur. Ortalama sıcaklık değerlerinin yükselmeye başladığı ilk tarihten itibaren yüksek rakımlarda biriken kar örtüsünün eriyerek düşük kotlara doğru yüzey akışına geçmeye başlamıştır. 

05 Mart 2004 tarihi, simülasyon süresi aralığında en  çok göze çarpan tarihtir.  Bu tarihte, havza ortalamasında düşen toplam yağış miktarı 17 mm/gün iken bunun 9 mm/gün kadarı yere yağmur olarak ulaşmıştır. Böylelikle 22-23 Şubat 2004 tarihlerinde gerçekleşen ekstrem yağışın ardından, simülasyon süresi boyunca hesaplanan en yüksek toplam yağış değerlerden biri bu tarihte denk gelmektedir. Yükselen sıcaklık değerleri ile tarihinden önce gerçekleşen kar erimesi, bu tarihte gerçekleşen yağış sonucunda artmış, 05 ve 06 Mart 2004 tarihlerinde Yukarı Fırat Havzası'nda mevsim normallerinin üzerinde yüzey akışı gerçeklemesiyle sonuçlanmıştır. 22 Şubat 2004 tarihinde havzada ölçülen maksimum kar yüksekliği 140 cm iken, 07 Mart 2004 tarihinde bu değer 35 cm'dir. Bu tarihten itibaren ortalama sıcaklık değerleri tekrardan donma noktasının altına düşse de, Fırat Nehri'nin üzerine kurulmuş barajlardan ekstrem yüzey akışı sebebiyle, su salınması ihtiyacı doğmuştur. 

MODIS Uyduları ile elde edilen veri setleri 26 Şubat -28 Mart 2004 tarihleri arasında hem iç domain hem de Fırat Havzası için analiz edilmiştir. Kar örtüsü değerini yüzde olarak veren veri setlerini karşılaştırırken, WRF-ARW Simülasyon sonucunun iki uydudan alınan verilerin ortalamasına eşit olduğu görülmüştür Kar değişimi belirgin olmasına rağmen, uydu verileri 8 gün aralığındaki maksimum değeri verdiğinden kar değişimini gözlemlemek için faydalıdır. Ayrıca MODIS Satellite web sitesinden anlık elde edilebilen uydu fotoğrafları ile günlük kar örtüsü incelenmiştir. Ancak, buradaki dezavantaj, fotoğrafların uydudan alınması sebebiyle bulutların da görülmesi görünmesidir. Bu nedenle, net günler seçilerek kar örtüsü değişimi gözlenmiştir.

İklim değişikliği ile gelecekte öngörülen toplam yağış miktarındaki azalmayla su kullanımına duyulacak olan ihtiyacın artacak olması, su yönetimi çalışmalarına ağırlık verilmesinin gerekliliğini işaret etmektedir. Özellikle Fırat ve Dicle Nehir'leri gibi sınır aşan nehirlerin uluslararası politikada yer bulması sebebiyle, barajlardan bırakılan su miktarının belirlenmesi ve meydana gelebilecek felaketlerin önlenmesi açısından geçmiş/gelecek simülasyonlar üzerine yapılan çalışmaların artırılması oldukça önemlidir.

Abstract:
Within the scope of climate change studies, the majority of the 0.6C increase observed in the Northern Hemisphere surface temperature in the 20th century is due to anthropogenic effects in the last fifty years. According to results of the global climate models, which were run as initial condition of different Representative Concentration Path (RCP) values, the increase in the average surface temperature by the end of the 21st century will exceed 2C. Changes in precipitation regimes are foreseen in the Mediterranean belt countries with subtropical climates due to rising temperatures and decrease total rainfall and in soil moisture. In the hydrology studies carried out within the scope of climate change, since the sensitivity of the relationship between snow melting and temperature is known, seasonal changes in the water flow of snow-fed rivers are focused on changes in runoff. This is because the changing date, volume and quantity of runoff caused by snow cover and melting snow is considered an indicator of regional climate change. Water potential becomes a serious concern since drought is foreseen due to climate change especially in Mediterranean countries. Therefore, the impact of climate change on water resources and water management has become a globally popular issue.

According to newspaper reports in 2004, the dams on the Euphrates River in the Upper Euphrates Water Basin has reached maximum occupancy and threatened the loss of life and property. In line with this information, the data obtained from the Meteorological Observation Stations of the Turkish State Meteorological Service in 2003 and 2004 were examined. In the Upper Euphrates Basin heavy snowfall has been observed on 22-23 February 2004. After this heavy snowfall, a rapid drop in snow height has been detected. In 2004, it has been observed that snow melting, that is being observed in May which has been indicated by various studies, took place in March. The maximum occupancy capacity of the dams on the river bed was reached with the runoff of accumulated snow packages from high elevations. Due to this meteorological phenomenon that took place before its date, the need to open floodgates of Keban, Karakaya, Birecik and Atatürk Dams on the Euphrates River emerged. Since the main source of water feeding the rivers in the Upper Euphrates Basin is the runoff caused by the melting snow packs, the flux measurements from Flux Observation Stations of Electricity Observation Administration within the boundaries of the basin were evaluated. According to the results of Flux Observation Stations' measurements, rapid and extreme changes have occurred in the flow rates of the rivers is been detected.

In this thesis, the meteorological effects of snow melting due to the changing climate conditions that caused the opening of penstocks of Atatürk Dam since it has been built, between 10th and 14th of March 2004, which is located within the borders of the biggest water basin in our country namely Upper Euphrates Basin,  were investigated by using WRF-ARW simulation and MODIS Satellite data.

By running 3.9.1 version of  WRF-ARW climate model, the parent domain (d01) has been simulated with 15 km of horizontal resolution as external working area which is bounded by the Caspian Sea  and Italy in east-west direction and Ukraine and the Mediterranean coast of Egypt in north-south direction and child domain (d02) has been simulated with 5 km of horizontal resolutionas internal working area which is bounded by borders of our country Turkey, 199 days simulation was performed for date in between October 15, 2003 - April 30, 2004. 

When designing the simulation nominately the mother domain and simulation time period, Turkey's geographical location that is dominated by seasonal atmospheric patterns and a large domain has been selected in order to allow these global scale events to occur has been considered. Beside large scale atmospheric patterns to occur, seasonal start and end dates of snowfall in the region took into consideration while determining simulation period. Considering the variability in the orographic characteristics of the Euphrates Basin, a combination of parameters was applied in order to simulate the type and amount of precipitation. In this simulation, we specifically focused on achieving better results in the surface temperature, snow depth and runoff values using the Noah-LP Land Surface Model # 4 for the Ground Surface Option (sf_surface_physics).

According to the simulation results, despite the fact that the average temperature trend has been following seasonal normals since February 22, 2004 from the beginning date of simulation that is October 15, 2003, has been on an upward trend, after observed extreme snowfall at the same date and the following day. The mean temperature has been started to increase on February 22, 2004, and been continued to increase next following 7 days, subsequenlty been remained above the seasonal normals for following 6 days till of March 07, 2004. Despite that the heavy snowfall that is prominent on observations data on February 22, 2004 could not be simulated by WRF-ARW model, dramatic increase in mean temperature is an indicator that precipitation has been occured. This dramatic increase in mean temperature had major effects on other meteorological variables. As the temperature has been rised, fresh snow on the ground has turned into snow packages and snowmelt has gradualy begun. The data from both observed and simulation has indicated that after February 22, 2004 there was no enough snowfall for the accumulation. On the other hand, since the surface and atmosphere temperature is the fundemental criteria to determine to  type of precipitation, precipitation characteristic has changed by incresing temperature. Therefore, accumulated snow packages at high altitudes has melted and flow has begun towards lower elevations.

The date March 05, 2004 is the most prominent date during the simulation period. On this date, the total precipitation in the basin average has been 17 mm / day, and 9 mm / day of it has fallen to the ground as rain, so one of the highest values calculated from the beginning of the simulation coincides with this date. The melting has started with the increasing in temperature and accelerated with the precipitation falling on March 05, 2004. The soil that has recovered its moisture with the first snow melt has reached sufficient saturation, the flowing water has remained on the surface causing the surface runoff. According to the calculated values in the Upper Euphrates Basin on 05 and 06 March 2004, well above seasonal normals  runoff has occured. Although the average temperature values have fallen below freezing point since March 06, 2004, the maximum level of filling has been reached on the dams built on the Euphrates River on March 5, 2004, when the maximum total runoff occurred. The maximum snow height measured in the basin on February 22, 2004 was 140 cm, while on March 07, 2004 it was 35 cm. From March 7, 2004 until the end of the simulation, April 30, 2004 no extreme conditions were observed.

Evapotranspiration values that significantly related to mean surface temperature, has been followed the same trend with a shift of 2-3 days, while rapid changes in mean temperature has not reflected to evapotranspiration values at the same rate. On the other hand, since the effects of temperature change to evapotranspiration's values has been fractional but continious, it is possible that rapid changes effects on evapotranspiration could not be observed.

Data sets obtained with MODIS Satellites were analyzed for both the child domain and the Euphrates Basin between 26 February -28 March 2004. When comparing the data sets which give the snow cover value in percentage, it was seen that WRF-ARW Simulation calculation is equal to the average of these satellite values. Although the snow change is clear, it is useful for observing the snow change since the satellite data gave maximum value within 8 days. In addition, daily snow cover was examined with satellite photographs which can be obtained instantly from MODIS Satellite website. However, the disadvantage here is that the clouds are also seen because the pictures are taken from the satellite. Therefore, change of snow cover was observed by selecting clear days.

WRF-ARW simulation results were compared with hourly, daily and anomaly values calculated from 40 years updated ERA5 Reanalysis dataset. However, The use of the ERA5 data set obtained by the renalization of the ERA-Interim data set used as boundry condition while running the WRF-ARW simulation is seen as a disadvantage, as it would create similarities in the results. Therefore, it is thought that the use of unique data sets will create more meaningful results in future studies.

Today, since the surface water in the Euphrates and Tigris Basins is fed by groundwater, the decrease in the existing water potential is not noticeable. However, the reduction in groundwater is a substantional threat in the South East Anatolia Region, where economic investment is made as an agricultural and trade zone. Earlier snowmelt is indicative of droughtness in the region. The fact that the need for use of water resources will increase due to the decrease in the total amount of rainfall in the future with the climate change indicates the necessity of focusing on water management studies. Due to the fact that transboundary rivers such as the Euphrates and Tigris Rivers are located in international politics, it is very important to increase the amount of water left from the dams and to increase the studies on past / future simulations in terms of preventing the catastrophes that may occur.