Meltem rüzgarlarının Türkiye'nin batı kıyılarına olan etkisinin araştırılması, modellenmesi ve enerji potansiyeline etkisinin incelenmesi
Investigation and modeling of sea breeze on Turkey's west coast and evaluation of the effect of potential energy
Yazar: GİZEM BUĞDAY
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRAN SİBEL MENTEŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Rüzgar hızı, şiddeti ve yönü olan vektörel bir büyüklüktür.  Rüzgârlar geldiği yöne göre isimlendirilir ve güneşin dünya yüzeyine farklı açılarla gelmesine bağlı olarak mevsimsel, günlük ve saatlik değişiklikler gösterir. Eğer dönmeyen bir dünya yüzeyi sadece su ile kaplı olsaydı ve güneş dünya yüzeyine aynı açıyla gelseydi, rüzgârlar kutuplardan ekvatora doğru tek yönlü olurdu.  Fakat dünya yüzeyi, dağlar, vadiler, su kütleleri, bitki örtüsü ve çöl alanları gibi farklı topografik yapılar nedeniyle aynı oranda ısınmaz. Sonuç olarak, rüzgâr topoğrafyaya ve atmosferik koşullara bağlı olarak yersel ve zamansal olarak değişir; Ancak, bu koşullar, rüzgârın yarı-sürekli yapısını küresel ölçekte değiştirir. Ayrıca, yer küre düzensiz ısındığı için, farklı ısınan yüzeyler meydana gelir. Daha yüksek sıcaklıklara sahip yüzeylerdeki hava parseli daha az yoğunluğu nedeniyle yükselmeye başlayacaktır. Yükselen hava parseliyle birlikte atmosferik basınç düşecektir. Soğuk yüzeylerde ise hava çöker ve bu bölgede yüksek atmosferik basınca sebep olur. Rüzgâr, yüksek basınç alanından alçak basınç alanına doğru hava akışıdır. 
Kuzey yarım küre orta enlemlerinde yer alan Türkiye mevsimsel olarak dinamik ve termik oluşumlu farklı basınç paternlerinin etkisinde kalmaktadır ve buna bağlı olarak da rüzgarın yön ve şiddetinde yersel ve zamansal önemli değişimler olmaktadır. Kış aylarında İzlanda orjinli alçak basınç sistemi kuzey batı ve kuzey yönlerden etkili olurken, Sonbahardan itibaren etkili olan Akdeniz orjinli alçak basınç merkezi izlediği yörüngeye bağlı olarak güneybatı-kuzeydoğu, batı-doğu doğrultusunda hareketle geçişi esnasında önce güney yönlerden sonrasında ise kuzey yönlerden rüzgar akışının değişimine neden olmaktadır. Kış aylarında Türkiye üzerinde etkili olan Sibirya yüksek basınç sistemi ise Karadeniz üzerinden Türkiye'yi etkilediğinde, bölge üzerinde kuvvetli kuzeyli ve kuzey-doğulu akışlara neden olur. İlkbaharın ikinci yarısından sonra Akdeniz cephesel zonu enlemlere bağlı olarak kaybolurken lokal akışlar daha fazla önem kazanır. Yazın ise Avrupa üzerinde merkezlenen Azor yüksek basınç merkezi Türkiye'nin kuzey ve batısında kuzeyli (kuzey, kuzeydoğu, kuzeybatı) akımlara neden olurken Arabistan Alçak Basınç sistemi ise Türkiye'nin güney ve doğusunda Güneydoğulu ve güneyli akımlara neden olmaktadır. Her iki basınç sistemine bağlı olarak özelllikle batı ve kuzey batısında meydana gelen kuvvetli basınç gradyanı nedeniyle bu bölgelerde kuvvetli poyraz rüzgarlarının (kuzey doğulu) yaz boyunca etkili olmasına neden olmaktadır.
Basınç sistemlerine bağlı olarak meydana gelen büyük ölçekli akış etkili olduğu bölgenin  lokal topografik şartlarına bağlı olarak da önemli bir değişkenlik gösterir. Diğer taraftan günlük sıcaklık değişimi termal olarak lokal akışların oluşmasına neden olur. Bu akışlar akış yönüne bağlı olarak sinoptik akışları kuvvetlendirir ya da zayıflatır. Türkiye coğrafik konumu ve topografik yapısı nedeniyle büyük ölçekteki akışa ilave olarak yerel etkilerin katkısı ile de Avrupa'da rüzgar potansiyeli açısından önemli bir ülke konumundadır.
Son yıllarda, rüzgar enerjisi temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olması nedeniyle dünyadaki en çekici yenilenebilir enerji kaynağı haline gelmiştir. Ekonomik dengeler ve kalkınma için enerjinin kaliteli, sürdürülebilir ve çevreye zarar vermeyen bir şekilde üretilmesi ve kullanılması önemlidir. İklim koşullarına ve topoğrafya özelliklerine bağlı olarak rüzgâr çiftliği için yatırımlar hızla devam etmektedir. Rüzgar çiftlikleri kurulumunda sinoptik rüzgarlar büyük önem taşımaktadır. Türkiye coğrafi konum itibariyle Orta enlem siklonlarından büyük ölçüde etkilenmektedir. Bunun yanında karmaşık yüzey şekilleri rüzgâr karakteristiği üzerinde önemli değişikliklere sebep olmaktadır. Enerji üretiminde bu sinoptik rüzgârların yanında yerel rüzgârlarda önemli etkiye sahiptir. Yerel rüzgârların oluşum sebeplerinden biri kara ve su dağılımıdır. Karalar, sulara göre daha hızlı ısınıp soğumaktadır. Bu sıcaklık farkları basınç farklarına sebep olmakta ve yerel rüzgarları başlatmaktadır. Örneğin; deniz meltemi kara ve deniz arasındaki sıcaklık farkından dolayı oluşan termal basınç farkı sonucunda denizden kara içlerine doğru oluşan yerel akımdır. Bir bölgenin rüzgâr enerjisi potansiyelinin doğru bir şekilde belirlenebilmesi için sinoptik sistem geçişleriyle birlikte kuvvetli ve zayıf rüzgâr alanlarının doğru tespit edilmesi önemlidir. Bunun yanında topografya ve yerel rüzgarların etkisi de unutulmamalıdır. Topoğrafyanın rüzgâr üzerinde üç önemli etkisi vardır. Bunlar pürüzlülük, orografik, ve perdeleme etkisidir. Fön rüzgârları, dağ ve vadi rüzgârları, kara ve deniz meltemleri gibi yerel rüzgârlar bu topografya etkisinden oluştuğu için önemlidir.

Sinoptik ölçekli hareketler kış mevsiminde baskın olan hareketlerdir. Yazın ise sinoptik paternler ile birlikte günlük sıcaklık farklarından dolayı meydana gelen lokal basınç sistemleri de bu etkiye dahil olur. Bir bölge üzerinde etkili olan geniş ölçekli akış termik zorlamalara bağlı olarak oluşan lokal akımlar (meltemler) ile aynı yönde olursa rüzgârları güçlendirici bir etki oluştururken,  ters yönlü bir akış ise lokal akış üzerinde  negatif bir etki oluşturur. Bu nedenle meltemler daha çok yaz mevsiminde belirginlik kazanır

Bu çalışmada, Ege bölgesinde, seçilen istasyonlarda deniz melteminin rüzgar enerji potansiyeline katkısı araştırılmıştır. Ege kıyılarında deniz kara melteminin hâkim olduğu günlerin belirlenmesi için Borne vd.(1998) tarafından önerilen filtre yöntemden yararlanılmıştır. Filtre metodu deniz meltemi oluşumu için temel kriterleri inceleyerek deniz meltemi günlerini bulmaktadır. Seçilen istasyonlarda filtrenden geçen deniz meltemi günleri arasından örnek günler seçilmiş ve bu günler WRF modelinde 3km'lik simülasyonlarla incelenmiştir. Filtre metodu deniz meltemi oluşumu için temel parametreleri ele alarak 6 farklı filtreyi birbirine bağlı olarak incelemektedir. İlk 3 filtre, 700 hPa basınç seviyesinde jeostrofik rüzgâr için yön, şiddet ve rüzgar şiddetindeki değişimi analiz etmektedir. Sinoptik sistemlerin geçişi sırasında ortaya çıkan ekstrem değerleri elemek için bir ölçü olarak kullanılmıştır. İlk filtre 24 saat boyunca 700 hPa' da rüzgâr yönünde önemli bir dönüş olan günleri elemektedir. 
Bir gün boyunca (13:00-13:00 LST)  rüzgâr yönünde 90 ° 'den büyük değişimler ilk filtrede elenmektedir. İkinci filtre 700 hPa seviyesinde 12 saat boyunca(01: 00-13: 00 LST' de) sinoptik rüzgâr şiddetindeki değişimin 6 m / s'den büyük değişim olan günleri eler. 

Üçüncü filtrede 11 m/s'den büyük güçlü sinoptik rüzgâr hızına sahip günleri elenmektedir.  700 mb seviyesinde yapılan elemeden sonra, yüzey koşul parametrelerinin uygunluğu için filtreleme başlar. Dördüncü filtre, deniz meltemi gelişimi için en önemli faktör olan deniz ve kara arasındaki sıcaklık farkını alır. Günlük maksimum hava sıcaklığı ve günde bir defa sabah saatlerinde ölçülen deniz suyu sıcaklığı bu filtrede kullanılır. Deniz meltemi oluşumu için, kara ve deniz arasındaki sıcaklık farkı en az 3 ° C olması gereklidir. 3 dereceden küçük değerler elenir. Beşinci filtrede ise, yüzey rüzgârındaki dönüşün 30 dereceden daha fazla olması koşulu gereklidir. 30 dereceden küçük günler elenir. Kalan günler son filtreye dâhil edilir. 

Son filtrede rüzgâr yönündeki ani değişimin olduğu saati takip eden 5 saat önemli bir değişiklik olmaması gerekçesini vardır. En büyük rüzgâr yön değişimi bulunur ve onu takip eden 5 saatin yön ortalaması alınır. Bu iki değerin oranı ile elde edilen değerin 3.5 dan büyük olması koşulunu içerir. Borne vd., (1998) tarafından İsveç bölgesi için yapılan çalışmada bu oran 6 olarak alınmıştır. Ancak bu çalışmada yapılan ayrıntılı günlük gözlemlere göre bu oran 3.5 olarak kabul edilmiştir. Bu 6 filtreden geçen günler, tüm ekstrem değerler ve sinoptik etkilerden arındırıldığı için deniz meltemi günleri olarak kabul edilmiştir.

Filtre metodunun amacı, içerdiği 6 farklı eleme yöntemi ile Türkiye'nin batı kıyısı boyunca seçilmiş istasyonlardaki deniz meltemi günlerini bulmaktadır. Ege bölgesi 3 temel bölgeye ayrılmıştır. (Enez-Ayvalık-Ayvalık Feneri, İzmir-Kuşadası, Bodrum-Datça-Marmaris)  Deniz melteminin meydana geldiği günlerde rüzgar alanı ve termal etkiler ayrıntılı olarak yüksek çözünürlüklü meso ölçek model WRF ile simule edilerek, model performansı değerlendirilmiştir. Vaka analizi için seçilen deniz meltemi günlerindeki rüzgar hızı WRF (Weather Research and Forecasting Model) modelinin 3kmX3km çözünürlükte simule edilerek, deniz meltemlerinin oluştuğu yer, zaman ve rüzgâr yön ve şiddeti ile ilgili duyarlılığı hesaplanmış ve gözlemler ile karşılaştırılarak belirlenmiştir.

Bu çalışmadaki simülasyonlar, 2015 yılı için haftalık olarak gerçekleştirilmiştir. Seçilen bölge ve gün için sıcaklık ve rüzgârın alansal dağılımı 3 er saatlik periyotlar içindeki değişimi irdelenmiştir. WRF modelinin başarımı gözlem değerleri ile karşılaştırılarak yorumlanmış ve WRF sıcaklık ve rüzgar model sonuçlarının doğruluk analizi MBE ve RMSE istatistiksel yöntemler ile hesaplanmıştır. Son olarak çalışmada kullanılan istasyonlarda Rüzgâr enerji potansiyeli hesapları yapılırken Haziran, Temmuz, Ağustos aylarına ait 10 m den alınmış rüzgar hız verileri kullanılmıştır. Deniz melteminin rüzgar enerji potansiyeline katkısını bulmak amacıyla filtre metodundan faydalanılmıştır. Filtre metodunda ilk üç filtre, 700 mb seviyesinde deniz meltemi koşulunu sağlamayan ekstrem günleri eler. Bu üç filtreden sonra kalan günler sinoptik sistemlerin geçiş etkilerden arındırılmış günler olarak ortaya çıkar. Deniz melteminin daha sık görüldüğü üç ayda (Haziran, Temmuz, Ağustos)  seçilen bu günler için her bir saatin enerji potansiyeli hesaplanarak zaman serisi incelenmiştir. Deniz melteminin rüzgar enerji potansiyeline etkisini bulmak amacıyla filtre metodunda altıncı filtreyi geçen günler ele alınmıştır. Altıncı filtreyi geçen günler yüzey etkisi de hesaplanarak seçilmiş deniz meltemi günleridir. Deniz meltemi günleri için rüzgar potansiyeli hesaplanıp sinoptik etkilerden arındırılmış günler ile karşılaştırıldığında deniz meltemi günlerinin potansiyelinin daha yüksek olduğu görülmektedir.

Abstract:
Wind is vector expressed by two parameters which are speed and direction. The winds are named according to the direction they come from and show seasonal, daily and hourly changes depending on the different absorption of the sun on the earth's surface. If the earth surface was only covered with water and the sun came to the surface of the earth at the same angle, the winds would be unidirectional from the poles to the equator. However, the surface of the earth does not warm up at the same rate due to the topographic structures such as mountains, valleys, water bodies, vegetation and desert areas. As a result, the wind varies with altitude, depending on topography and atmospheric conditions; nonetheless, this condition makes the wind semi-continuous structure on global scale. Furthermore, because of uneven heating, there occur earth surfaces that vary a lot in temperature. Air on surfaces with higher temperatures will then begin to rise because of its less density. As the air rises, it creates low atmospheric pressure. Air on surfaces with cooler temperatures sink. The sinking creates higher atmospheric pressure. The wind is simply the flow from a high pressure area to a low pressure area due to solar energy distribution on earth surface. In winter, the Icelandic Low Pressure grows its effect region toward the southern Turkey, bringing on strong, blasting winds from north and especially from north eastern directions.
Turkey is located in the northern hemisphere mid-latitudes. It is under the influence of different pressure patterns which are dynamic and thermally formed and accordingly there are local and temporal changes in the direction and intensity of the wind. In the winter months, the Icelandic low pressure system is effective in the north-west and north directions, while the low pressure center of the Mediterranean origin, which is effective from the autumn, moves from southwest-northeast to west-east, depending on the orbit. This causes the change of wind flow from the southern directions and then from the north directions during this transition. Turkey during the winter months when having an impact on the Siberian high pressure system affects the Black Sea via Turkey, would result in a strong region on the northern and north-eastern streams. After the second half of spring, the Mediterranean frontal zone is lost due to latitudes and local flows become more important. In summer Azor high pressure center which is located in European center causes the northern flow (north, northeast, northwest) from north and west of the Turkey, while Arabia Low pressure system leads to south and southern currents in the southern and eastern regions of Turkey. Due to the strong pressure gradient occurring especially in the west and north west due to both pressure systems, strong Poyraz winds are effective throughout the summer in these regions. The large-scale flow due to pressure systems also varies significantly depending on the local topographic conditions of the region. On the other hand, daily temperature change leads to local thermal flows. These flows strengthen or weaken synoptic flows, depending on the flow direction. When Turkey Considering its geographical location and topography, it is an important country in terms of wind energy potential with the contribution of local effects with large scale flow.
In recent years, wind energy has become the most attractive renewable energy source in the world because it provides clean energy. For economic balances and development, it is important to produce and use energy in a quality, sustainable and environmentally sound manner. Depending on the climate conditions and topographic characteristics, investments for the wind farm keep continuing rapidly. Synoptic winds are very important in wind farm installation. Due to its geographical location, Turkey is largely influenced by the Mid-latitude cyclones. In addition, complex surface shapes and roughness cause significant changes in wind characteristics. In addition to the synoptic winds in the energy production, local winds have an important effect. One of the reasons for the formation of local winds is the distribution of land and water. The land heats up faster than water. These temperature differences cause pressure differences and initiate local winds. For example; The sea breeze is the local stream which is formed from the sea to the land as a result of the thermal pressure difference caused by the temperature difference between land and sea. In order to determine the wind energy potential of a region correctly, it is important to determine the strong and weak wind zones with synoptic system transitions. In addition, topography and local winds should not be forgotten. Topography has three important effects on wind. These are roughness, orographic, and screening effects. In addition, there are winds formed by topographic effects such as föhn winds, mountain and valley winds, land and sea breezes.

Synoptic-scale movements are dominant movements in winter. In the summer, local pressure systems due to daily temperature differences with synoptic patterns are included in this effect. A large-scale flow acting on a region may create a strengthening effect on winds in the same direction as local currents (breezes) due to thermal stresses, while a reverse flow may have a negative impact on local flow. Therefore, breezes are more pronounced in summer

In this study, the contribution of the sea breeze to the wind energy potential in selected stations in the Aegean region was investigated. The filter method proposed by Borne et al. (1998) was used to determine the days when the sea breeze prevailed on the Aegean coast. The filter method examines the basic criteria for sea breeze formation and finds the sea breeze days. In the selected stations, sample days were selected from the sea breeze days passing through the filter and these days, the WRF model was examined with simulations at a resolution of 3 km. The filter method examines the basic parameters for the sea breeze formation and examines 6 different filters together. The first 3 filters analyze the change in wind direction, intensity and wind intensity for the geostrophic wind at a pressure level of 700 hPa. It has been used as a measure to eliminate the extreme values that occur during the transition of synoptic systems. The first filter eliminates days at 700 hPa which is a significant turn in wind direction for 24 hours.

During the day (13: 00-13: 00 LST) changes in the wind direction greater than 90 ° are eliminated in the first filter. The second filter removes the days at 700 hPa for 12 hours (at 01: 00-13: 00 LST) with changes in the synoptic wind intensity of more than 6 m / s.
In the third filter, the days with strong synoptic wind speed greater than 11 m / s are eliminated.
After the eliminations at 700 mb, filtering is initiated for the suitability of the surface condition parameters. The fourth filter takes the temperature difference between sea and land, which is the most important factor for sea breeze development. The daily maximum air temperature and the sea water temperature measured once a day are used in this filter. For sea breeze formation, the temperature difference between land and sea must be at least 3 ° C. Values less than 3 degrees are eliminated. In the fifth filter, the condition of the surface wind should be more than 30 degrees. Days less than 30 degrees are eliminated. The remaining days are included in the final filter.
In the last filter, there is no significant change in the wind direction for 5 hours following the time of the sudden change during the day. The biggest wind direction change is found and the average of 5 hours following it is taken. This includes the condition that the value obtained by the ratio of the two values is greater than 3.5. Borne et al., (1998) in the study for the Swedish region this rate is taken as 6. However, according to the detailed daily observations in this study, this ratio was accepted as 3.5. The days passing through these 6 filters have been accepted as sea breeze days since they are free of all extreme values and synoptic effects.

The filter method examines the critical parameters for sea breeze formation and finds the sea breeze days at selected station along Aegean coast. The Aegean region is divided into 3 main regions. (Enez- Ayvalık- Ayvalık Lighthouse, İzmir- Kuşadası, Bodrum- Datça- Marmaris) In the days when the sea breeze occurred, the wind field and thermal effects were simulated in detail with high resolution mesoscale model (WRF) and the model performance was evaluated. The wind speed of the sea breeze days selected for the case analysis was simulated with the WRF (Weather Research and Forecasting Model) model at 3kmX3km resolution, and the sensitivity of the sea breezes about the location, time and wind direction and intensity was calculated and compared with the observations.
Simulations in this study were carried out weekly for 2015. The variation of the spatial distribution of temperature and wind for the selected region and day in 3-hour periods was examined. The performance of WRF model was compared with the observation values and the accuracy analysis of WRF temperature and wind model results were calculated by statistical methods such as MBE, RMSE, nRMSE.
Finally, while wind energy potential calculations were made in the stations used in the study, wind speed data that is taken 10 m from June, July and August were used. The filter method was used to find the contribution of the sea breeze to the wind energy potential. In the filter method, the first three filters eliminate the extreme days which is caused by the passing of a synoptic system that does not meet the sea breeze condition at 700 mb. The days remaining after these three filters are days free of the transition effects of synoptic systems. In the three months (June, July, August) where the sea breeze was seen more frequently, the energy potential was calculated for these days and the time series was examined. In order to find out the effect of the sea breeze on the wind energy potential, the days of the sixth filter were discussed in the filter method. The days of the sixth filter are the days of sea breeze selected by calculating the surface effect. It is seen that the potential wind energy of the sea breeze days is higher than other days when the wind energy potential is calculated for the days of the sea breeze and compared with the days that are free of synoptic effects.