Karadeniz dalga ikliminin uzun dönemli değişiminin modellenmesi
Modeling the long-term change of the Black Sea wave climate
Yazar: ADEM ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. YALÇIN YÜKSEL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kıyı ve Liman Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kıyı ve liman mühendisliği alanındaki çalışmalar için uzun dönem rüzgar ve dalga ikliminin belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Dalga ölçüm verilerinin genellikle kısa zamanlı mevcut olmasına bağlı olarak uzun dönem dalga iklimi çalışmalarında model yazılımlarının önemi ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, üçüncü nesil MIKE 21 SW spektral dalga modeli kullanılmıştır. ECMWF ERA5, ECMWF ERA-Interim ve NCEP CFSR veri setleri kullanılarak sayısal modelden elde edilen dalga parametreleri Gelendzhik, Hopa, Sinop, Samsun, Filyos ve Karaburun istasyonlarındaki ölçüm verileri ile kalibre edilmiştir. Sayısal modelin doğrulaması ise İstanbul Boğazı istasyonundaki ölçüm verileri ile yapılmıştır. ERA5 veri seti kullanılarak sayısal model yazılımdan elde edilen dalga verileri, ERA-Interim ve CFSR veri setleri kullanılarak model yazılımından elde edilen dalga verileri ile karşılaştırıldığında nispeten daha iyi performans sergilemiştir.

Çalışma alanı 41-46°N; 27-42°E koordinatları arasındaki Karadeniz havzasıdır. ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA-Interim yeniden analiz rüzgar veri seti kullanılarak 40 yıllık (1979-2018) bir periyot için uzun dönem rüzgar ve dalga iklimi elde edilmiştir. Bu çalışma için ERA5 veri setinin kullanılmamasının nedeni çalışmaların başladığı dönemde veri setinin yeni kullanıma sunulmuş ve üzerinde yeterli çalışmanın yapılmamış olmasıdır.

Rüzgar iklimi çalışmasında rüzgar gülleri, rüzgar hızı eklenik aşılma olasılıkları, Weibull ve genelleştirilmiş ekstrem değer (GEV) dağılımlarından elde edilen en büyük değer rüzgar hızı istatistikleri; dalga iklimi çalışmasında dalga gülleri, belirgin dalga yüksekliği eklenik aşılma olasılıkları, belirgin dalga yüksekliği – ortalama dalga periyodu grafikleri, Weibull ve GEV dağılımlarından elde edilen en büyük değer belirgin dalga yüksekliği istatistikleri değerlendirilmiştir. Karadeniz havzasında bulunan 58 nokta için bu çalışmalar gerçekleştirilmiştir.

Sayısal model yazılımından elde edilen rüzgar ve dalga gülleri incelendiğinde, belirli noktalarda hakim rüzgar ve dalga yönlerinde gözle görülür değişimlerin meydana geldiği gözlemlenmiştir. Belirgin değişimin meydana geldiği noktalarda Weibull ve GEV dağılımlarından elde edilen en büyük değer istatistikleri karşılaştırılmıştır. 50 ve 100 yıllık yineleme dönemleri için karşılaştırma yapılmış ve dağılımlar arasındaki farklılığın rüzgar hızı ve belirgin dalga yüksekliği için çok düşük olduğu görülmüştür. Weibull ve GEV dağılımlarının doğruluğunu belirlemek amacıyla regresyon analizi yapılmıştır. Regresyon analizi sonucunda rüzgar hızı ve belirgin dalga yüksekliği için GEV dağılımının Weibull dağılımına kıyasla daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.

Abstract:
The determination of long-term wind and wave climate has great importance for studies in coastal and port engineering. Since wave measurement data is usually available in short time, the importance of modeling software emerges in long-term wave climate studies. The third-generation MIKE 21 SW spectral wave model was used in this study. The wave parameters obtained from the numerical model using ECMWF ERA5, ECMWF ERA-Interim and NCEP CFSR wind datasets were calibrated with the measurement data at Gelendzhik, Hopa, Sinop, Samsun, Filyos and Karaburun stations. The validation of the numerical model was made with the measurement data at the Bosphorus station. The wave data obtained from the numerical model using the ERA5 dataset exhibited slightly better performance compared to the wave data obtained using the ERA-Interim and CFSR datasets.

The study area is the Black Sea basin between the coordinates 41-46°N; 27-42°E. Using the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) ERA-Interim reanalysis wind dataset, long-term wind and wave climate were obtained for a period of 40 years (1979-2018). The reason why the ERA5 dataset was not used in this study is that when the studies started, the dataset was newly available and not sufficient studies had been done on it. 

In the wind climate study, wind roses, cumulative exceedance probability of wind speed, extreme value analysis for wind speed obtained from the Weibull and generated extreme value (GEV) distributions; In the wave climate study, wave roses, cumulative exceedance probability of significant wave height, significant wave height – mean wave period graphs, extreme value analysis for significant wave height obtained from the Weibull and GEV distributions were evaluated. The mentioned studies were carried out for 58 points in the Black Sea basin.

When the wind and wave roses obtained from the numerical model software were examined, it was observed that visible changes occurred in the prevailing wind and wave directions at some points. At the points where significant change occurred, the extreme value statistics obtained from the Weibull and GEV distributions were compared. Wind speed and significant wave height in the 50-year and 100-year return periods were compared and it was seen that the difference between the distributions were very low for wind speed and wave height. Regression analysis was performed at these specific points to determine the accuracy of Weibull and GEV distributions. The analysis showed that the GEV distribution for wind speed and significant wave height gave better results than the Weibull distribution.