Kentsel ve kırsal alanlarda şehirleşmenin etkisinin, iklim modeli COSMO-CLM ve TERRA-URB kullanılarak incelenmesi
Investigation urbanization effects of urban and rural areas over Istanbul with COSMO-CLM and TERRA-URB climate models
Yazar: HURİYE PERİM TEMİZÖZ
Danışman: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Artan dünya nüfusunun %55'i, sosyal ve ekonomik kaynakların şehirlerde fazla olmasından dolayı şehir alanlarında yaşamayı tercih etmektedir. Bu oranın 2050 yılında %68'e kadar çıkması beklenmektedir (ABD Ekonomik ve Sosyal İşler Birimi). Kent alanlarındaki nüfusun ölçüsüz artışı ile beraber birçok doğal alan deforme olmaktadır. İnsan kaynaklı bu deformasyon küresel ve lokal olarak atmosfer koşullarını önemli ölçüde etkilemeyi sürdürmekte ve bu durum giderek önem kazanmaktadır. İklim modelleri kullanılarak küresel ve lokal olarak değişen atmosfer koşullarının analiz edilmesi, gerekli önlemlerin alınması ve bu etkilerin azaltılmasına yönelik stratejilerin oluşturulması konusundaki hassasiyet giderek artmaktadır.
Şehir alanları üzerinde artan nüfus karasal alanların kullanımında önemli antropojenik değişimler oluşturmuştur. Yüzey ve atmosfer arasındaki etkileşim de bu aşamada farklılaşmış ve lokal iklim koşullarında değişim potansiyeli oluşmuştur. Ormansızlaştırma, doğal göl ve park alanlarının yerini farklı yüzey yapılarına ait binaların alması, endüstrileşmenin getirdiği çevre kirliliği, motorlu araçlardan yayılan kirleticiler şehir alanlarında başlıca yüzey atmosfer ilişkisini değiştiren durumlardır. 
Kentsel iklimlerin kırsal alanlardan farklı olduğu ve bu farkın büyüklüklerinin hava koşullarına, kentsel termo-fiziksel, geometrik özelliklere ve bölgede bulunan antropojenik nem ve ısı kaynaklarına bağlı olarak zaman zaman artıp azaldığı bilinmektedir. Luke Howard, bir şehirde hava sıcaklıklarının genellikle çevresindeki kırsal alanlara göre daha yüksek olduğunu kanıtlayan ilk kişidir (Howard, 1833). Luke Howard'ın ortaya koyduğu bu durum şehir ısı adası olarak tanımlanmıştır. 
Bu çalışmada İstanbul üzerindeki kentsel ve kırsal alanlardaki atmosferik koşullarda şehirleşmenin etkisini daha detaylı simüle edebilen bölgesel iklim modeli COSMO-CLM TERRA-URB kullanarak farklı parametreler üzerindeki etkiler ve şehir ısı adası oluşumu incelenmiştir. COSMO-CLM (Küçük Ölçekli Sınırlı Alan İklim Modeli) sınırlı alan iklim modeli yaklaşık 3 km çözünürlükle merkezi İstanbul olan 165x143 grid içeren bir alan için koşturulmuştur. Başlangıç ve yanal sınır değerleri ERA-Interim re-analiz verilerinden sağlanmıştır. MGM'nin yıllık yağış verilerinin sonuçlarına göre 2008 kuru yılı ve 2009 ıslak yılı bu çalışmanın yapılacağı tarihler olarak belirlenmiştir. Yıllık toplam yağış ortalaması 2008 yılında 504 mm, 2009 yılında ise 815 mm'dir.   COSMO-CLM TERRA-URB şemasının şehir iklimine ve parametrelere olan hassasiyetinin yanı sıra COSMO-CLM modelinin hassasiyetini de analiz etmek amacıyla bu iki model kullanmıştır. 2008-2009 yıllarının ortalamalarının alınarak alansal dağılımlar oluşturulduğunda, İstanbul Avrupa yakasının kuzey kıyılarında  COSMO-CLM'in daha ıslak olduğu ortaya çıkmıştır. 2008-2009 yılları sıcaklık ortalamalarına göre, İstanbul'un güneyinde iç kesimlerde şehirleşmenin etkisi ortaya çıkmaktadır. Her iki modele göre, İstanbul'un güney iç kesimleri çevresine göre 1°C daha sıcaktır. COSMO-TERRA İstanbul'un kuzeyinde ortalama bulutluluk oranı COSMO-CLM'e göre daha fazladır. 
COSMO-CLM ve COSMO-TERRA model sonuçları MGM gözlem verileri ile de alansal olarak karşılaştırılmıştır, sıcaklık ve yağış parametrelerinin yanlılık durumu incelenmiştir. COSMO-CLM yanlılık değeri çalışma alanımız içerisinde -1°C civarındadır. COSMO-TERRA çalışma alanı içerisinde hem negatif hem pozitif yanlılıklar oluşturmaktadır.

Abstract:
Growing world population prefers to live in urban areas due to social and economic resources in cities. This rate is expected to rise to 68% in 2050 (US Department of Economic and Social Affairs). Many natural areas are deformed together with an immeasurable increase in urban areas. This man-made deformation continues to affect the atmospheric conditions globally and locally, and this is becoming increasingly most important. Using climate models, there is a growing tendency to analyze globally and locally changing atmospheric conditions, to take necessary measures and to develop strategies to reduce these impacts.
As the population increases, the density of the building also increases, resulting in a differentiation of surface energy balance and micro-climatic characteristics at the local scale. The interaction between the surface and the atmosphere is differentiated at this stage and the potential for a change in local climate conditions has occurred. Deforestation is the replacement of natural lakes and parking lots by buildings of different surface structures, environmental pollution caused by industrialization, pollutants from motor vehicles change the main surface atmosphere relationship in urban areas.The local climate of an urban region can be greatly influenced by landscape factors, as well as by geometric properties, anthropogenic activities and heat sources in the region. Urban geometry and thermal properties of urban surfaces are also important parameters in strengthening urban climate. Local urban features consist of buildings, roads, trees and grasses; The land cover features represent a variety of buildings and vegetation areas. Sun (2011) found that air temperature was significantly correlated with green ratio and building rate at night in Taiwan. Yan et al. (2009), increasing the percentage of vegetation, can reduce the air temperature significantly, the increase in the construction area according to the measurements made in Beijing reported that the air temperature significantly increased. So, Luke Howard first used urban heat island term in 1980. The urban heat island is one of the metropolitan areas that are considerably warmer than the surrounding rural areas due to human activities. 
It is known that urban climates are different from rural areas, and the magnitude of this difference increases and decreases from time to time depending on weather conditions, urban thermo-physical, geometric characteristics, anthropogenic moisture and heat sources in the region. Oke (1987) and Rajagopalan et al. (2014) indicated that maximum UHI intensity occurred after the sunset hours as human-induced heat transfer from buildings, roods and walls influences the city's atmosphere. Daytime or nighttime UHI can seen throughout the year. Explicitly, temperature differences between urban and rural areas is higher during clear, calm nights. This is because solar radiation stored in buildings, roads and other different man-made structures in urban environment during day and then radiation re-emitted during night.  Besides, stable atmospheric condition and inversion can be observed many times because of UHI conditions.
In this study,we analyze urbanization effects of urban and rural areas over Istanbul with COSMO-CLM and COSMO TERRA-URB. Non-hydrostatic COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) model developed by CLM Community (LM) using the Local Model of the German Meteorological Service. It is used in numerical weather forecasting and meso-β and meso-γ research applications. Basic thermo-hydrodynamic equations that define the compressible flow in the humid atmosphere without using any scale approach adopted to the COSMO model. Rotated geographic coordinates are basis of the model equations. Some physical processes in the atmosphere are accounted by the parameterization scheme. Restricted area models, such as REMO (Jacob and Podzun, 1997) or RegCM (Giorgi et al., 1993), can reduce grid intervals by up to 10 km (at hydrostatic scales of motion). Therefore, they are insufficient for spatial resolution that can capture small-scale severe weather events. Non-hydrostatic models are quite sensitive and succesful in expressing deep convection and large vertical moving mountain waves with a scale of less than 10 km. The COSMO-CLM model was used because urban climate simulation results in less than 10 km resolution are more accurate.
The aim of this thesis is to examine the urban climate sensitivity of the models in the areas with different surface structures with different atmospheric parameters on Istanbul. In this study, the limited area climate model of COSMO-CLM (Scale Modeling - Climate Modeling - Area Modeling) and COSMO TERRA-URB model were run with a resolution of 0.0275° (2.8 km). Since the non-hydrostatic COSMO-CLM model and COSMO TERRA-URB run on a limited area, the initial and lateral boundary conditions were generated from ERA-Interim re-analysis data. The ERA-Interim reanalysis data were driven by climate mode of COSMO (COSMO-CLM) and COSMO TERRA-URB with 0.0275° (~8 km) spatial resolution over 165x143 grid points domain during the period between August 1st, 2007 and December 31th, 2009. The first five months of model runs were assumed as a spin-up time of the models. According to the results of the annual rainfall data of MGM, the 2008 dry year and the 2009 wet year were determined as the dates of this study. COSMO-TERRA scheme shows that maximum UHI effect occurred at 18:00 (GMT) during summer and COSMO-CLM occurred at 18.00 during the autumn season. The maximum amount of solar energy at noon, the city's buildings that release the incoming solar energy at night causes the density of UHI to be maximum during the summer. Therefore, it has been shown that TERRA-URB scheme is more sensitive to urban heat island effect.
The average annual rainfall was 504 mm in 2008 and 815 mm in 2009. In addition to the sensitivity of the COSMO-CLM TERRA-URB scheme to the city climate and parameters, the COSMO-CLM model was used to analyze the accuracy of these two models. When spatial distributions were formed by taking the averages of the years 2008-2009, COSMO-CLM was found to be wet in the northern coast of the European side of Istanbul. According to the average temperature of 2008-2009 years, the effect of urbanization in the inner parts of the south of Istanbul is emerging. According to both models, the southern inner parts of Istanbul are 1 °C warmer than their surroundings. COSMO-TERRA average cloudiness rate in north of Istanbul is higher than in COSMO-CLM. COSMO-CLM and COSMO-TERRA model results were compared in terms of MGM observation data. The COSMO-CLM bias value is around -1 °C and COSMO-TERRA creates both negative and positive bias within the study area.
This study shows that the urban heat island effect raises the city temperatures because of the materials used in the urban environment. Besides, wind from north to south is effective in İstanbul. So, precipitation gradually increases in the direction of the prevailing wind. The overall results from this study can contribute to the establishment of relevant strategies like green roofs/walls or creating ventilation corridors for the new urban plan of Istanbul. This contribution will help to reduce urban heat islands and mitigate the risks for heat wave events, which is expected to increase with global climate change.