Türkiye'nin Akdeniz kıyıları boyunca oluşan yaz meltemlerinin günlük maksimum sıcaklıklara etkisi
The sea breeze affect on daily maximum temperatures during the summer seasons over the Mediterannnean coast of Turkey
Yazar: DİRUHİ SESİL TOZCU
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:
Deniz ve kara meltemleri, orta ölçekte etki eden bu sebeple de orta ölçek rüzgâr sınıfına dahil edilen meteorolojik bir olaydır. Deniz meltemleri daha çok yaz ve bahar aylarında, yerkürenin her enleminde gözlemlenir. Deniz melteminin oluşumu, sabahın erken saatlerinde güneş ışınlarının yerküreye iletilmesiyle başlar. Bu ışınlar sayesinde deniz ve kara eşit derecede ısınır ancak, ısı kapasitesi farkından dolayı, karalar denizlere göre daha çabuk ısınır. Karanın üzerinde bulunan hava kütlesinin yoğunluk farkından dolayı yükselir, böylelikle karaların üzerinde, denize göre alçak hava basıncı oluşmasına sebep olur. Bu durumda, deniz üzerindeki hava kütlesi de karaya göre yüksek basınca sahip olmuş olur. Rüzgâr ise, hava kütlesinin, yüksek basınçlı ortamdan alçak basınçlı ortama doğru olan hareketi olarak tanımlanmıştır. Bu durumda, gündüz saatlerinde, deniz üzerindeki hava kütlesinin, kara üzerine doğru gösterdiği hareket eğilimi, deniz meltemi olarak tanımlanmıştır. 
Bu çalışma Türkiye'nin Akdeniz'e olan kıyılarındaki deniz meltemlerinin, o bölgedeki gün içerisinde oluşan maksimum sıcaklıklara olan etkilerini araştırmayı hedeflemiştir. Bu sebeple sınır bölgeler olarak, Türkiye'nin Akdeniz kıyıları analiz merkezi olacak şekilde üzere, 34⁰ – 42⁰ Kuzey enlemleri ile 23⁰ – 40⁰ Batı boylamları seçilmiştir. Çalışmada, ECMWF'in en güncel reanaliz veri seti olan ERA5 veri seti kullanılmıştır. Mevcut ERA5 veri setleri, 1999 – 2018 dönemi için incelenmiştir. Kullanılan veriler, 0,125⁰ x 0,125⁰ çözünürlükte olacak şekilde (yaklaşık 14km) Haziran, Temmuz ve Ağustos aylarının 1000mb'dan 1 mb'a kadar olan basınç seviyeleri için saatlik 10 metre sıcaklık ve 2 metre rüzgar verileridir. Yapılan analizlerde, deniz meltemlerini ve etkilerinin takibini daha detaylı çalışabilmek amacıyla, zaman adımları, gün içerisinde 06:00 – 17:00 aralığı için gruplandırılmıştır. İlk olarak, seçilen alanın her bir noktası için, saatlik ortalama sıcaklıklar ve rüzgâr yönü ile şiddeti hesaplanmıştır. Sonuçlar incelendiğinde, kıyılardaki rüzgâr, sabah 06:00 itibariyle kuzeyli olarak etkisini gösterirken, 11:00 itibari ile ise deniz meltemlerinin etkili olmaya başlamasıyla, 13:00 sonrasında şiddetini arttırırken, sıcaklığın ekstrem seviyelere erişmesini de engelleyici bir mekanizma oluşturmaktadır. 
Çalışmada daha detaylı sonuçlar elde etmek için 40 yıllık veri setinde yer alan yaz aylarına ait her bir gün için her bir grid noktası için sıcaklığın hangi saatte en yüksek değere eriştiği araştırılmıştır. Kıyılarda saat 11:30 itibariyle maksimum sıcaklıklar başlarken ve 13:30'a kadar iç kesimlere doğru ilerlediği gözlemlenmiştir. İç kesimlerde ise sıcaklıkların en yüksek seviyeye çıkması saat 14:00'ı bulur. 2metre ortalama sıcaklık ve 10m rüzgârın karşılaştığı çalışma ise birlikte düşünüldüğünde, rüzgârın şiddetini artırması ve güneyli olmaya başladığı saatlerde, kıyı kesimlerinin de eriştiği maksimum sıcaklık düşmeye başlar. Ancak deniz meltemleri, karanın iç kesimlere kadar erişemediğinden, bu etkiyi gösteremezler. Yapılan diğer analiz ise, 10 metre rüzgâr veri setinde yer alan meridyonel rüzgârın yönünü (V bileşeni yani kuzey-güney doğrultusunda) ve şiddetini analiz edebilmek adına hesaplanmıştır. Gün içerisinde doğu Akdeniz kıyısında, güneyli rüzgârın saat 14:00 sonrasında şiddetini artırdığı gözlemlenmiştir. Seçilen çalışma alanında yer alan ve Adana ile Mersin üzerinden geçen 35 Doğu boylamının denk geldiği 36 - 38 Kuzey enlemlerinin arasındaki hat seçilmiştir. Bu hattın tam ortasındaki nokta olan 35 Doğu boylamı ve 35 Kuzey enleminin kesiştiği nokta için önce Temmuz 2007 ayının 2metre sıcaklık ve 10metre rüzgarının hovmöller analizi yapılmıştır. ERA5 veri seti ile yapılan analiz sonucunda, 1-15 Temmuz arasında beklendiği gibi kıyı kesimlerinin deniz yönünden karaya doğru hava kütlesinin hareketi sonucu serinlediği gözlemlenir. Ancak 16-17-18 Temmuz günlerinde ise, gün içerisindeki güneyli rüzgarların, kuzeydeki kuvvetli rüzgarların sebebiyle karadan içeriye giremeyerek, 2 metredeki sıcak havanın dar bir alanda etki etmesine sebep olur. Bu sonuçlar, seçilen hat için yapılan, 1000mb – 840 mb arası düşey kesit ile desteklenmiştir. 35 Doğu boylamı ve 36 - 38 Kuzey enlemlerinin arasındaki hattın 16-17-18 Temmuz için ve bu dönemden 10 gün öncesi 6-7-8 Temmuz dönemi için düşey kesit profili çalışılmıştır. Buna istinaden, 6-7-8 Temmuz günlerinde hâkim rüzgarların düşeyde seçilen seviyeler boyunca, özellikle 12:00 – 18:00 arasında güneyli olduğu görülmüştür. Ancak bu dönemin 10 gün sonrası olan 16-17-18 Temmuz günleri için bu durumu belirtmek, kuzeydeki kuvvetli sistem sebebi ile mümkün değildir ve kuzeyli rüzgarlar belirtilen günler boyunca etkili olmaktadır. 
Meltem rüzgarlarını daha iyi anlayabilmek adına, yüksek çözünürlüklü NCAR'ın WRF ARW modelinde ERA5 verileri koşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar ile gözlem verileri karşılaştırılmıştır. Gözlem verileri Doğu Akdeniz kıyılarında yer alan, Mersin'deki 3, Adana'daki 5 ve Hatay'daki 3 adet istasyon için toplamda 11 adet istasyondan alınmıştır. Bu sonuçlar kayıt edilen gözlem verileri ile karşılaştırılmış olup, gün içerisinde tutarlı sonuçlar vermektedir. Ancak model, 1 istasyon için fazla 4 istasyon için ise, düşük tahminde bulunmaktadır. Yine model sonuçları ile günün en yüksek sıcaklığının hangi saatlere denk geldiği hesaplanmış olup, 1-15 Temmuz 2007 arası için Akdeniz kıyılarında saat 13:30-15:30 arası iken, 16-17-18 Temmuz 2007 dönemi için İç Anadolu'daki sistemin hâkim olması sebebi ile bir zaman aralığı belirlenememektedir. 
Oluşturulan sonuçlar ile 2metre sıcaklık ve 10 metre rüzgâr karşılaştırılması yapıldığında, gün içerisinde, yine Akdeniz kıyıları boyunca, özellikle doğu Akdeniz kıyılarında hâkim rüzgârın güney – güney batılı olduğu sonucuna varılmıştır. Model sonuçları için de her bir nokta için günlük en yüksek sıcaklık değerinin denk geldiği saat dilimleri hesaplanmıştır ve sonuç olarak 1-15 Temmuz arasında bu dönem 13:00-14:00 arasında iken, 16-17-18 Temmuz döneminde bu değerler gün içerisine yayıldığı gözlemlenmiştir. Yine WRF ARW modeli ile elde edilen sonuçlar ile meridyonel rüzgârın yönünü, şiddetini ve sıcaklığın düşey kesit analizi yapılmıştır. Düşey kesit analizi, karadaki yükseltinin de etkisini daha iyi incelemek için önceki düşey kesit analizlerinden 0.5 Kuzeye (55km) alınmıştır. Bu durumda, seçilen bölge, yatayda 35 Doğu boylamı üzerinde, 35.5 – 37.5 Kuzey enlemleri ile düşeyde deniz seviyesinin 3km üzerine kadardır. Düşey kesit analizleri, deniz meltemlerinin gözlemlendiği 10-11-12 temmuz dönemi ve nispeten daha az gözlemlendiği 16-17-18 Temmuz dönemleri aralarında 6 saat aralıklar ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalara istinaden, 10-11-12 temmuz döneminde güneyli rüzgarlar gün boyu hakimiyet kurarken, dört gün sonraki dönemde kuzeyli sistem hâkim olduğundan, güneyli rüzgarlar karanın iç kesimlerine nüfuz edemez. Yine aynı dönemler ve bölge için, ERA5 veri seti ile yapılan hovmöller analizi gibi model sonuçları ile 24 saat için hovmöller analizi yapılmıştır. 10-11-12 Temmuz döneminde güneyli rüzgarlar tüm gün etkisini gösterirken, 16-17-18 Temmuz döneminde kuzeyli sistemin bu etkiyi engellediği gözlemlenmiştir. 
ERA5 veri seti, gözlem verileri ve model sonuçları incelendiğinde, yaz aylarında, günlük en yüksek sıcaklığın 12:00 ve 15:00 arasında erişildiği sonucuna varılmıştır. WRF ARW modeli ile oluşturulan sonuçlar ile gözlem verileri 5 istasyon haricinde 6 istasyonda tutarlılık göstermektedir. Ancak anormal günlerde kuzeyde sistemin etkili olduğu durumlar için deniz meltemleri etkilerini yeterince gösterememesine rağmen, normal günlerde etkili olmakta ve sıcaklığın ekstrem değerlere yerel olarak erişmesini engellemektedir.

Abstract:
Sea and land breezes are included in the wind class, which acts as a mid-scale, classifying it as a meso scale. Sea breezes are mostly observed in summer and spring, at every latitude around the globe. The formation of the sea breeze begins with the transmission of sun rays to the earth in the early mornings. With the help of these rays, the sea and land are heated evenly, but due to the heat capacity difference, the land heats up more quickly. This causes the air mass on the land to rise due to the density difference. This rising movement leads to formation of low air pressure above the land compared with the air above the sea. Air mass tends to move from high air pressure center to low air pressure center. In this case, air above the sea moves towards to air above the land, which is defined as sea breeze. Sea breezes occure on day time while land breezes ocur on night time with the opposite mechanism. As land heats faster than the sea, also cools down faster as well. Due to that, in the night time, when sunrays are not capable to reach to the earth, land cools down. This leads air above the ground to ALÇALIR, causing formation of high pressure above the land compared with the sea. Therefore, air above the land moves from high pressure to lower pressure. This movement of air mass from land to see is defined as land breeze. 
This study is aimed to investigate the affects of the maximum temperature on sea breezes over Turkey's Mediterranean coast. In order to alanyse Turkey's Mediterannean coasts,  the region in between 34 - 42 North latitude 23 - 40 Western longitude are selected as borders. In this study, the most recent reanalysis data set of ECMWF, ERA5 data set was used. Existing ERA5 dataset was examined for the period in between 1999 - 2018. Data that used are temperature at 10meteres and wind parameters at 2 meters, per hour for pressure levels from 1000mb to 1mb. Data set is prepared for summer months of June, July and August, with resolution of 0.125 x 0.125 (approximately 14km). In the analyses, time steps were grouped for 06:00 - 17:00 during the day in order to study the sea breezes and their effects in more detail. Firstly, hourly average temperatures and wind direction and speed were calculated for each point over the selected region. According to results, prevailing wind on the coastal area its northernly and is effecting as of 06:00 in the morning and increases the intensity after 13:00 with the start of the sea breezes as of 11:00 and constitutes. This mechanism prevents the temperature to reach extreme levels. In order to analyze the study more accurately, the maximum temperature of each grid point for each day of the summer months in the 40-year data set was investigated. As a result maximum temperatures start at 11:30 on local time on the coasts and proceed towards the inner parts until 13:30. In the interior, the highest level of temperatures reaches 14:00 hours. Considering the analysis of 2 meter average temperature and 10 meter wind, at the time when wind speed increases the maximum temperature at the coastal regions starts to decrease. However, sea breezes cannot show its affect on inland areas since they cannot reach the inner parts of the land. The other analysis was performed in order to analyze the direction and intensity of the meridional wind (V component of the wind at north-south direction) with the10 meter wind data set. During the day on the eastern Mediterranean coast, it was observed that the southerly wind increased its intensity after 14:00. In order to perform more detailed analysis, a special area is selected. This area is where 36 - 38 North latitudes intersects with 35 East longitude which is a line that passes through Adana and Mersin.
The simulation period has been selected according to the previous study by Tozcu (2016). For the period between the 2007 and 2013, temperatures at ground level for summer months have been analysed with observation data received from General Directorate of Meteorology for 21 stations at Mediterranean region of Turkey. Accordingly, temperature anomaly was calculated in July 2007 in Adana region. On this study Hovmoeller analysis of 2 meters of temperature and 10 meters of wind with ERA5 data set of whole month of July 2007 was first performed for the middle point of the selected line, which is 37North and 35East. According to calculations, coastal region has cooled as a result of the movement of the air mass from the sea towards to the land as expected between in first 15 days and between 18th to end of July. However, on the days of 16th-17th-18th July, due to storng wind system at North and northernly winds sea breezes can not reach to the coast. As a result, hot air at 2 meters above the sea level, converges in the narrow area above the sea and South of the coast. To support this result, vertical section profile analysis of tepmerature and meridional wind from 1000mb to 840 mb have been calculated. This vertical section profile analysis has been calculated for line between 35 East longitude and 36 - 38 North latitude. It was studied for 16th-17th-18th of July 2007 and for 6th-7th-8th of July 2007, as 10 days before this period which were anomally days. Accordingly, on July 6th-7th-8th, the prevailing winds were found to be southernly along the selected pressure levels, especially between 12:00 and 18:00 hours. However, it is not possible to state this situation for the anomally days due to the strong system in the north and the northern winds. 
In order to have better anaylsis of the breeze winds, ERA5 data set was run in the NCAR's high resolution WRF ARW model. Since some anomally was observed according to Hovmöller analysis, dates to run a model has been chosen as first 20 days of July to investigate the difference (anomally days and normal days).  Obtained results were compared with the recorded observation data of 2 meters temprature that taken from Turkish. Meteorological State. Observation data were obtained from  total of 11 stations for 3 stations in Mersin, 5 stations in Adana and 3 stations in Hatay. These results of the model are compared with the observation data. In general model gave consistent results and pattern with the obervaton during the whole choosen period. However, the model has been underestimated the temperature on 4 stations and overestimated for 1 station. As before, with the results of the model, the time zones where the maximum daily temperature for each grid point corresponds were calculated for the first 15 days of July 2007 and anomally as separately. At first 15 days, maximum temprature are reached on in between 13:30 - 15:30 hours on the Mediterranean coasts over Turkey. However, due to the strong system on the middle Anatolian area, which is at the northern part of the study area, it is not possible to specify a certain time period fort he maximum temperature hours fort he anomally days over the coastal area. 
The results with WRF ARW model, the direction and intensity of meridional wind and temperature data were analyzed by vertical cross-section analysis. This time, selected area is shifted 0.5 (55km) to North from previous vertical cross section analysis to have better examination of the affects of the elevation on land. In this case, the selected region is horizontally where 35.5 and 37.5 North latitudes intersects 35 East longitude and vertically 3 km above the sea level. 
For the period of 16th-17th-18th of July (anomally days) vertical cross-sectional analyzes were calculated and compared with the 10th-11th-12th of July period (normal days), that sea breezes were observed. This analysis made for 6-hour intervals between them. According to comparisions, while the southern winds dominated during the day at normal days, four days later on the anomaly period, since the northernly winds are more dominant, southernly winds, sea breezes in this case, can not reach into land.
For the same periods and regions, model results were performed to make hovmoeller analysis as made before with ERA5 data set. Again the comparision is made for 10th-11th-12th of July and 16th-17th-18th of July. For the normal days period, during the whole 24 hours, southernly winds were prevailing from sea towards the land. However, for the anomaly days, it is clearly seen that, northernly system was effective during the day. This caused the sea breezes to not be able to reach into the land area that has been resulted after the vertical cross section area analysis. 
As a result, when the ERA5 data set, observation data and model results are examined, it is concluded that in summer, the maximum daily temperature is reached between 12:00 and 15:00. However, although the sea breezes do not show their effects sufficiently in cases where the system is effective in the north on anomaly days, while it is effective on normal days and prevents the temperature from reaching the extreme values.