Yağış değişkenliğinin entropi tabanlı analizi
Entropy-based analysis of rainfall variability
Yazar: VOLKAN BOZKURT
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN TONGAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yağışın zamansal ve alansal dağılımının incelenmesi, hidroloji ve su kaynakları yönetiminde birçok uygulama için büyük bir öneme sahiptir. Örneğin, ülkemizde su ve taşkın koruma yapıları genellikle taşkın ve yağışta stasyonerlik varsayımı dikkate alınarak oluşturulmuştur. Ancak, iklim değişikliği yağış ve dolayısıyla akım örüntülerinin uzam-zamansal dağılımını doğrudan etkileyebilecektir.Bu nedenle, stasyonerlik varsayımı bazı durumlarda yetersiz kalabilmektedir. Özellikle dikkate alınan havzanın hidrolojisinin, tarımının, ekosisteminin ve su kaynaklarının sürdürülebilir ve bütünleşik yönetiminin olumsuz etkilenmemesi için yağış örüntülerindeki değişimler ayrıntılı olarak incelenmelidir.

Bu tez çalışmasında ülkemizin en önemli havzalarından birisi olan Batı Akdeniz Havzası'ndaki yağışlar 1979–2018 dönemi için uzam-zamansal olarak analiz edilmiştir. Bu amaçla, ilgili havzada bulunan yedi adet yağış gözlem istasyonundan günlük yağış verileri kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan yağış gözlem istasyonları Elmalı, Milas, Finike, Datça, Köyceğiz, Fethiye ve Acıpayam'da yer almaktadır. Yağışların zamansal analizi için Pettitt değişim noktası analizi, Mann-Kendall eğilim analizi ve Hurst katsayısı analizi kullanılmıştır. Genellikle, incelenen zaman serisinde anî değişimin varlığı incelenmeden eğilim analizi yapılmaktadır. Eğilim analizleri, incelenen zaman serisinde anî değişim var ise bazen yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir. Eğilim analizi için Mann-Kendall metodu kullanılmış olup, serilerdeki uzun-dönemli hafızayı veya kararlılığı incelemek için Hurst analizi kullanılmıştır. Analizler, aylık, mevsimsel ve yıllık ölçeklerde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar aylık ve yıllık yağış verilerinde %95 güven düzeyinde herhangi bir anî değişim veya eğilim olmadığını göstermiştir. Ayrıca, aylık ve yıllık ölçeklerde elde edilen tüm Hurst katsayıları serilerin kararlı olduğunu göstermiştir. Mevsimsel verilerde ise anî bir değişim bulunmayıp yalnızca Milas istasyonundaki yağışlarda Eylül-Ekim-Kasım için artan eğilim tespit edilmiştir. 

Yağışlardaki belirsizliğin uzam-zamansal analizi için entropi kavramından yararlanılmıştır. Bu amaçla, şiddet, paylaştırılmış ve 10-yıllık paylaştırılmış entropi değerleri hesaplanmıştır. Şiddet entropisi yıl içinde gözlenen yağışlı gün sayılarının dağılımını gösteren bir büyüklüktür. Şiddet entropilerinde 1992, 2001 ve 2004 yıllarında Fethiye, Elmalı ve Datça istasyonlarında ölçülen yağış verilerinde anî değişim bulunmuştur. 1979–2018 dönemi ve anî değişimin gözlendiği yıllar dikkate alınarak Mann-Kendall eğilim analizi gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda yalnızca Milas, Köyceğiz ve Acıpayam istasyonlarında 1979–2018 dönemi için artan eğilimler bulunmuştur. Tüm istasyonlarda şiddet entropisi için hesaplanan Hurst katsayılarının 0,5'ten büyük olması nedeniyle şiddet entropilerinde kararlılık söz konusudur. Ayrıca,  Milas, Köyceğiz ve Acıpayam istasyonlarındaki şiddet entropilerinde bulunan artan yöndeki eğilimin gelecekte de devam etmesi muhtemeldir. Şiddet entropilerinin alansal dağılımı incelendiğinde ise daha yüksek değerlerin havzanın kuzeydoğu kısımlarında yoğunlaştığı gözlenmiştir. Bu kısımlarda yağışlı günlerin yıl içi dağılımının havzanın batı ve güney kısımlarına nazaran daha homojen olduğu söylenebilir.

Paylaştırılmış entropi yıl içindeki yağış miktarının dağılımını gösteren bir büyüklüktür. Paylaştırılmış entropilerde Pettitt analizi sonucunda anî değişim bulunmayıp, Mann-Kendall analizi sonucunda yalnızca Fethiye'de artan yönde eğilim bulunmuştur. Tüm Hurst katsayıları 0,5'ten büyük olması nedeniyle Fethiye'deki paylaştırılmış entropideki artışın gelecekte de devam etmesi olasıdır. Paylaştırılmış entropilerin alansal dağılımı incelendiğinde ise şiddet entropilerine benzer dağılım gösterdiği söylenebilir. Havzanın batı ve güney kesimlerinde yer alan istasyonlarda gözlenen yağışların, bu bölgelerin kıyıya yakın olması nedeniyle yılın belli dönemlerinde anî ve şiddetli olarak gözlenmesi doğaldır. Bu nedenle havzanın iç ve kuzey kesimlerindeki yağışların yıl içi dağılımlarının daha homojen olduğu düşünülebilir.

Yıl içi değişkenliğin yanı sıra daha uzun dönemli değişimler ise 10-yıllık ortalama paylaştırılmış entropi yardımıyla incelenmiştir. 10-yıllık ortalama paylaştırılmış entropi değerlerinde, ortalama değerler en az 1989–1998 döneminde gözlenmiştir. 1999–2008 ve 2009–2018 dönemlerinde 10-yıllık ortalama paylaştırılmış entropi değerlerinde ise artışlar göze çarpmaktadır. Ayrıca, 10-yıllık ortalama paylaştırılmış entropi değerlerinin dönemler arasındaki alansal dağılımları incelendiğinde belirgin farklar olduğu görülmüştür. 

İlgili havzada sürdürülebilir su yönetimi çerçevesinde bölgedeki yağış düzensizliklerinin dikkate alınmaması ciddi sorunlara sebep olabilir. Batı Akdeniz Havzası'ndaki yağışların şiddet ve paylaştırılmış entropilerinde gözlenen dönemler arasındaki farklılıklar, ilgili havzada sürdürülebilir su yönetimi ve su yapılarının işletimi açılarından belirsizlik oluşturabilir. Bu doğrultuda, bu tez çalışmasında Batı Akdeniz Havzası'ndaki yağışların uzam-zamansal analizi gerçekleştirilerek karar alıcılara su yönetimi konusunda bilgi sağlanması hedeflenmiştir.

Abstract:
Analysing of spatial and temporal variation of precipitation is of utmost importance in hydrology and water resources management. For instance, several hydrological structures have been designed by assuming stationarity of flood and precipitation in our country. However, climate change can directly affect spatiotemporal patterns of precipitation and flow regimes, in turn. Thus, the stationarity assumption can be misleading in several conditions. The changes in the spatiotemporal variation of precipitation should be analysed thoroughly to prevent harmful influences of climate change on hydrology, agriculture, ecosystem and sustainable and integrated water resources management. 

In this study, precipitation of the Western Mediterranean Basin—one of the most important basins of Turkey—was spatiotemporally analysed for the period 1979–2018. To this aim, daily datasets from seven gauge stations in the basin were used. The stations are located in Elmalı, Milas, Finike, Datça, Köyceğiz, Fethiye Acıpayam. For the temporal analyses, Pettitt change point, Mann-Kendall trend and Hurst exponent analyses were used. Generally, trend analyses have been employed without investigating a change point in the process. However, trend analyses can be misleading in this situation. After employing Pettitt analysis, Mann-Kendall trend and Hurst exponent analyses were used to identify trends and long-term memory or persistency. The methods were employed for monthly, seasonal, and annual time scales. The results indicated that there are no sudden changes or significant trends in 95% significance level in monthly and annual precipitation time series. Further, all Hurst coefficients showed persistence in monthly and annual time series. There were also no significant trends in seasonal time series, but we found only trend in the seasonal precipitation time series of Milas in September-October-November. 

Entropy concept was utilised for the spatiotemporal analysis of uncertainties in precipitation. To this aim, intensity, apportionment and decadal apportionment entropy values were calculated. The intensity entropy can be used to analyse the distribution of rainy days within a year. Change points were detected in years 1992, 2001, and 2004 for the intensity entropies of precipitations of Fethiye, Elmalı, and Datça. The Mann-Kendall trend analysis was employed for both 1979–2018 and the sub-periods. The results indicated increasing trends in precipitations of Milas, Köyceğiz, and Acıpayam for the period 1979–2018. Also the Hurst coefficients of the intensity entropies were found higher than 0.50 that indicates persistence. This indicates that the increasing trends in the intensity entropies of Milas, Köyceğiz, and Acıpayam will possibly continue in future. The spatial distribution of intensity entropies showed that higher values were clustered in the northeastern region of the basin. It can be concluded that the distribution of rainy days within a year are more uniform in these regions than in the western and southern regions. 

The apportionment entropy can be used to identify the distribution of precipitation amount within a year. The results of the Pettitt analysis of apportionment entropy indicated no change point. Further, an increasing trend was detected in precipitation of Fethiye. Since all the Hurst coefficients were found higher than 0.50 for apportionment entropies, this increasing trend will possibly continue in future. The spatial distribution of apportionment entropy was found similar to the distribution of intensity entropy. The stations in western and southern regions generally receive sudden and intense precipitation due to being adjacent to coastal regions. Therefore, as the results indicated, the interior and northern regions have more homogenous precipitation regime throughout a year resulted in higher apportionment entropies. 

Decadal apportionment entropy was used to analyse long-term variations of precipitation. The smallest apportionment entropy values were observed during the period 1989–1998. There are distinct increases in the periods 1999–2008 and 2009–2018. Further, noticeable differences in the spatial variation of decadal apportionment entropy values were obtained.   

Reported disorderliness in the precipitation regime could be severe challenges in sustainable water resources management within the study area. Differences in intensity and apportionment entropies between different periods could introduce considerable uncertainty in water resources management and operation of hydrological structures for the Western Mediterranean Basin, Turkey. To this, by analysing the spatiotemporal variation of precipitation in the Western Mediterranean Basin it is aimed to provide information to policymakers in this study.