Küresel iklim değişikliğinin rüzgar ve dalga iklimi üzerindeki etkisinin araştırılması; Karadeniz örneği
Investigation of the impact of global climate change on wind and wave climate; A case study of the Black Sea
Yazar: FULYA İŞLEK
Danışman: PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kıyı ve Liman Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Karadeniz = Black Sea ; İklim değişikliği = Climate change ; İzdüşüm = Projection

Özet:
1979−2018 (40 yıl) yıllarındaki Karadeniz rüzgar iklimi yeniden analiz verileri ile, dalga iklimi üçüncü nesil spektral dalga modeli kullanılarak araştırılmıştır. Rüzgar/dalga karakteristiklerinin uzun dönemli ortalamaları, uzun dönemli değişkenlikleri, uzun dönemli değişim eğilimleri tüm Karadeniz çalışma alanı üzerinde alansal olarak incelenmiştir. Karadeniz üzerinde farklı özellik gösteren noktalarda rüzgar/dalga ve fırtına karakteristiklerinin detaylı yerel analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlere göre seçilen referans noktalarında; uzun dönemli değişim eğilimleri doğrusal regresyon analizi ile, uzun dönemli ve bunların dönemsel değişkenliği PDF grafikleri ile, rüzgar hızı/belirgin dalga yüksekliğinin yönlü davranışı rüzgar/dalga gülü ve eklenik aşılma olasılıkları ile ve ekstrem rüzgar/dalga iklimi en büyük değer analizi ile değerlendirilmiştir.
1979 yılından 2018 yılına doğru Karadeniz üzerinde ortalama deniz seviyesi basıncında azalma, deniz yüzeyi sıcaklığında artma ve deniz seviyesinde
xxxiii
yükselme eğilimlerine; rüzgar/dalga ve fırtına karakteristiklerinin artma eğilimleri eşlik etmiştir.
Karadeniz'in gelecekteki rüzgar/dalga ikliminin belirlenmesi, küresel iklim değişikliğinin rüzgar/dalga iklimi üzerindeki olası etki/etkilerinin irdelenmesi ve yenilenebilir (rüzgar ve dalga) enerji açısından en uygun konum(ların) atanması için 2021−2100 yıllarını kapsayan bölgesel iklim modelinden (RCM) elde edilen iklim verileri kullanılmıştır. Bu çalışmada, SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute) tarafından geliştirilen RCA'nın (Rossby Centre Regional Climate Model) dördüncü versiyonu RCA4'ten alınan beş bölgesel iklim modeli (EC-EARTH, CNRM-CM5, IPSL-CM5A-MR, HadGEM2-ES, MPI-ESM-LR) dikkate alınmıştır. Beş RCA4 tarihsel veri arasından Karadeniz çalışma alanını en iyi tanımlayan bir iklim modeli ile detaylı analizler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, 1979−2005 yılları için yeniden analiz verileri ile beş RCA4 tarihsel verileri alansal olarak karşılaştırılmış ayrıca yerel ölçüm verileri ile de karşılaştırmalar yapılmıştır. Alansal ve yerel olarak yapılan detaylı analizler, EC-EARTH rüzgar verilerinin Karadeniz rüzgar iklimini, EC-EARTH rüzgar girdileri ile modelden elde edilen dalga verilerinin Karadeniz dalga iklimini tahmin etme performansının diğer dört RCA4 iklim verilerinden daha iyi olduğunu göstermiştir. EC-EARTH iklim verileri kullanılarak Karadeniz'in rüzgar/dalga iklim projeksiyonları iki iklim (RCP4.5 ve RCP8.5) senaryolarına göre 2021−2060 yakın gelecek ve 2061−2100 orta gelecek için ayrı ayrı irdelenmiştir. Rüzgar hız (Vm, V90, V95, V99) ve dalga parametre (Hs, Hmax, Tm, Tp) projeksiyonlarının; tarihsel döneme göre nasıl değiştiği gelecekteki değişim (GD) ile, gelecekteki değişkenliği değişim katsayısı (DK) ile, gelecekteki değişim eğilimleri doğrusal regresyon analizi kullanılarak tüm Karadeniz çalışma alanı üzerinde istatiksel olarak anlamlı eğilimlerin değerlendirilmesiyle incelenmiştir. Tarihsel dönem, RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları yakın ve orta gelecek dönemleri için rüzgar/dalga ve fırtına karakteristiklerinin detaylı yerel analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlere göre seçilen referans noktalarında; uzun dönemli değişim eğilimleri doğrusal regresyon analizi ile, uzun dönemli ve bunların dönemsel değişkenliği PDF grafikleri ile, rüzgar hız/belirgin dalga yüksekliği projeksiyonlarının yönlü davranışı rüzgar/dalga gülü ve eklenik aşılma
xxxiv
olasılıkları ile ve ekstrem rüzgar/dalga iklimi en büyük değer analizi ile değerlendirilmiştir.
Ortalama rüzgar/dalga parametre projeksiyonlarının tüm Karadeniz üzerinde özellikle yakın gelecek (2021−2060) RCP4.5 senaryosu göre artma eğiliminde (rüzgar hızında %+3'e, dalga parametrelerinde %+3.5'e ulaşan), orta gelecek (2061−2100) RCP8.5 senaryosuna göre azalma eğiliminde (rüzgar hızında %-6'yı, dalga parametrelerinde %-5'i aşan) olacağı belirlenmiştir. 2021 yılından 2100 yılına doğru rüzgar/dalga iklim projeksiyonlarının değişim eğilimlerinin ve değişkenliklerinin doğu Karadeniz'de batısına kıyasla daha belirgin olacağı saptanmıştır. Ekstrem rüzgar hızı/belirgin dalga yüksekliği parametrelerinin değişim eğiliminin ortalama rüzgar/dalga parametrelerinin değişim eğiliminden çarpıcı şekilde daha belirgin olduğu tespit edilmiştir. Örneğin, 100 yıllık yineleme dönemi için ekstrem rüzgar hızı/belirgin dalga yüksekliğinin tarihsel döneme göre batı ve doğu Karadeniz'de rüzgar hızı için sırasıyla %7 ve %27, belirgin dalga yüksekliğinde %4 ve %25 değerleriyle artma eğiliminde olduğu belirlenmiştir. Bu sonuç, rüzgar/dalga iklim projeksiyonlarının, ekstrem rüzgar/dalga parametreleri üzerinde belirgin bir etkisi olduğunu ortaya çıkarmıştır.

Abstract:
The Black Sea wind climate was evaluated using reanalysis data, wave climate was assessed using the third-generation spectral wave model covering the period of 19792018 (a 40-year). Long-term averages, long-term variability, and long-term trends of wind/wave characteristics were investigated over the entire Black Sea. Detailed local analyzes for wind/wave and storm characteristics were conducted at selected points with showing special characteristics on the Black Sea. At reference points selected according to the analyzes, long-term trends using linear regression, long-term and inter-annual variations using PDF graphs, directional behavior of wind speed/significant wave height using wind/wave rose and the probability exceedance probabilities of wind speed/significant wave height, and extreme wind/wave climate using extreme value analysis (EVA) were evaluated.
From 1979 to 2018 over the entire Black Sea, a decreasing tendency in mean sea level pressure, a warming  tendency in sea surface temperature, a rising tendency in sea level accompanies increasing trends in wind/wave and storm characteristics
To determine the future wind/wave climate over the Black Sea, to detect the possible impact(s) of global climate change on the wind/ wave climate, and to assign the most suitable location(s) in terms of renewable (wind and wave) energy, the regional climate models (RCMs) were used covering the period of 20212100. In the present study, among the five regional climate models (EC-EARTH, CNRM-CM5, IPSL-CM5A-MR, HadGEM2-ES, MPI-ESM-LR) obtained from RCA4, which is the fourth version of RCA (Rossby Centre Regional Climate Model) developed by SMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute), were carried out detailed analyzes to determine one RCA4 model that the best consistency with the Black Sea wind/wave climate. For this purpose, the five RCA4 historical data were compared with the reanalysis data over the entire basin and local wind/wave measurements. Detailed spatial and local analyzes show that a relatively better agreement for the EC–EARTH data, i.e., EC-ERTAH compared to the other four RCA4 historical data provides slightly better performance in the prediction of the Black Sea wind/wave climate. The Black Sea wind/wave climate projections were analyzed for two future time slices: near future corresponding to the 2021–2060 period and middle future corresponding to the 2061–2100 period under the two climate scenarios (RCP4.5 and RCP8.5). Wind speed (Vm, V90, V95, V99) and wave characteristics (Hs, Hmax, Tm, Tp) projections; future change (FC) using the relative difference between two future periods and one historical period, future variability using the coefficient of variation (CV), long-term future trends using linear regression by evaluating the statistical significance levels over the entire Black Sea were assessed. Detailed local analyzes for wind/wave and storm characteristics were conducted for both historical and future periods under both RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. At reference points selected according to the analyzes; long-term trends using linear regression, long-term and inter-annual variations using PDF graphs, annual variability with MAV index, directional behavior of wind speed/significant wave height using wind/wave rose, and the probability exceedance probabilities of wind speed/significant wave height, and extreme wind/wave climate using extreme value analysis (EVA) were evaluated.
Mean wind/wave parameter projections over the entire Black Sea exhibits significant increasing trends (reaching +3% for wind speed, reaching +3.6% for wave parameters) in the near future (20212060) under the RCP4.5 scenario, significant decreasing trends (exceeding -4% for wind speed, exceeding -6% for wave parameters) in the middle future (20612100) under the RCP8.5 scenario. From 2021 to 2100 future change and variability in the wind/wave parameter projections is more exaggerated in the eastern Black Sea compared to the western part. The rate of change in the extreme wind speed/significant wave height parameters is strikingly more pronounced compared to those of mean wind/wave parameters. For example, in the 100-year return period, the extreme wind speed/significant wave height increased approximately +7% and +27% for the wind speed, +4% and +25% for the significant wave height, in the western and eastern Black Sea, respectively, compared to the historical period. This result revealed that wind/wave climate projections have a significant effect on extreme wind/wave parameters.