Yüksek çözünürlükteki bölgesel iklim modeli simülasyonu ile ekstrem iklim indekslerinin belirlenmesi
Defining extreme indices by using high resolution regional climate model simulation
Yazar: FULDEN BATIBENİZ
Danışman: DOÇ. DR. BARIŞ ÖNOL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
İklim değişiminin etkisi ile değişiklik gösteren ekstrem hava olaylarının analizi, tahmini ve değerlendirmesi hayati önem taşımaktadır. Dolayısı ile ekstremlerde meydana gelecek değişiklikliklerin modellenebilirliği, ekstrem iklim indekslerinin ve olası trendlerinin hesaplanması, gelecekte meydana gelecebilecek değişimlerin belirlenmesine katkı koyması bakımından analiz edilmelidir. Bu çalışmada bölgesel iklim modeli'nin (ICTP-RegCM3) günlük yağış ve sıcaklık çıktıları, deney alanı olarak seçilen Türkiye ve çevresi için (Önol B., 2010) ekstrem hava olaylarının belirlenmesi kapsamında iklim indeksleri kullanılarak değerlendirilmiştir. 1961-2008 yıllarını kapsayan yaklaşık yarım yüzyıllık dönem için koşturulan bu model NCEP/NCAR verileri ile zorlanmış olup çözünürlüğü 10km'dir. Ayrıca şiddetli yağışlar, sıcak hava dalgaları gibi çevreyi ve doğal sistemleri önemli ölçüde ilgilendiren ekstrem hava olaylarındaki değişimin araştırılması için seçilen indeksler hesaplanmıştır. Çalışmada daha önce sözü edilen model ile Türkiye'deki istasyonlara ait gözlemlerin, 1961-2008 dönemindeki günlük yağış, günlük maksimum ve minimum sıcaklık verileri için ekstrem iklim indeksleri ve olası trendleri hesaplanmıştır. Bu yolla model çıktılarının ekstrem hava olaylarını yakalamadaki becerisi değerlendirilecektir.
Dünya Meteoroloji Örgütü (WMO) ve Dünya İklim Araştırmaları Programı (WCRP)  tarafından kullanılan indekslerden yapılan seçimde kıstas, ekstremlerin insan hayatına ve doğal sistemlere olan etkisidir. Bu doğrultura sıcaklık indekslerinden, Aşırı Sıcak Günler (TX35), Yaz Günleri (SU), Sıcak Geceler (TN90p), Sıcak Günler (TX90p), Çok Sıcak Günler (TX99p), yağış indekslerinden ise, Islak Günler (RR1), Şiddetli Yağışlı Günler (R10mm), Aşırı Şiddetli Yağışlı Günler (R20mm), Çok Islak Günler (R95p), Ardarda Kurak Günler (CDD) seçilmiştir. Model çıktıları ile Türkiye üzerindeki 187 istasyona ait gözlemlerden hesaplanan indeksler, ekstremlerdeki frekans ve yoğunluk değişimini analiz edebilmek için yıllar bazında incelenmiştir. 
Yapılan diğer bir çalışma, istasyon noktaları ile modelde bu noktalara karşılık gelen grid kutularındaki ekstremlerin Q-Q grafiği analizidir. Bu analiz her istasyon için ayrı ayrı yapılmış, yağış için %95, maksimum ve minimum sıcaklık için %90 yüzdelik alanlardaki ekstremleri ifade etmektedir ve sonuçlar hem sıcaklıkta hem de yağışta oldukça tutarlıdır. 
Çalışmada tüm indekslerin zaman serileri incelenmiş ve korelasyonları hesaplanmıştır. Buna bağlı olarak, zaman serisi analiz sonuçları göstermektedir ki sıcaklığın son 10 yıldaki artan trendi model tarafından iyi bir şekilde yakalanmıştır ve model ile gözlemler birbiri ile uyumludur. 
Seçilen indekslerden hesaplanan uzun dönem ortalamaları, model sonuçlarının gözlemlerle hem yağışta hem de sıcaklıkta uyumlu olduğunu göstermektedir. Gözlem noktaları ile model grid noktalarının karşılaştırılması sonucunda, yağışın genel paterininin yakalandığı ancak özellikle Islak Günler İndeksinde (RR1) modelin pozitif taraflığı (50-150 gün) olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sıcaklıkta da Çok Sıcak Günler İndeksi (TX99p) dışında model ile gözlem sonuçları paraleldir. Dolayısı ile model tarafından üretilen tüm indeks değerleri makul bir aralıkta kalmaktadır ve bu durum model sonuçlarının gözlemlerle olan mekânsal uyumluluğunun kanıtıdır.
İstasyon olmayan noktalardaki ekstremlerle ilgili daha detaylı bilgiye ulaşmak amacıyla tüm model alanı için iklim indeks analizleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, daha önce yapılan noktasal karşılaştıma analizini destekler niteliktedir. 
Ekstrem indekslerdeki son dönem değişimleri araştırmak için 1991-2008 dönemi seçilmiş ve referans dönemi 1961-1990 alınarak anomaliler hesaplanmıştır. Bunun sonucunda, Türkiye'nin kuzeyinde, ıslak günlerde (RR1) 2-15 gün civarında azalmalar görülmüştür. Kuraklık İndeksi CDD indelendiğinde ise Türkiye'nin güney kesimlerinde artışlar olduğu görülmüştür. Benzer şekilde tüm sıcaklık indekslerinin 18 yıllık dönemde artış gösterdiği gözlenmiştir. Özellikle Yaz Günleri (SU), Sıcak Geceler (TN90p), Sıcak Günler (TX90p) ortalama 10-25 gün civarında artış göstermiştir. Buna bağlı olarak, ekstrem olayların son dönemdeki artışlarının insan kaynaklı küresel iklim değişikliğinin etkilerine paralel artış gösterdiği belirlenmiştir. 
Son dönemdeki değişim analizlerine ek olarak onyıllık zaman ölçeğinde, sıcaklıkta ve yağışta meydana gelen eğilimi belirlemek için trend analizi yapılmıştır. Trend analizi ile son dönem değişim analizleri arasında uyumlu sonuçlar görülmüştür. Buna bağlı olarak, sıcaklık indekslerinden TX90p, TN90p ve SU ile kuraklık indekslerinden CDD'de 2-10 günlere varan artış trendleri görülürken, yağış indekslerinden RR1'de 1-4 günlere varan azalma eğilimleri tespit edilmiştir. Buna bağlı olarak, sıcaklıklarda ve kuraklıktaki artış eğilimi ile yağışlardaki azalma eğilimlerini tespit edebilmesi bakımından modelin güvenilirliği kanıtlanmıştır.
Bu çalışmada model sonuçlarının ekstrem hava olaylarını yakalamadaki becerisi ve uzun dönemdeki değişimleri belirmesi amacıyla analizler yapılmış ve bölgesel iklim modeli sonuçlarının özellikle sıcaklık ve kuraklık indekslerini belirlemede başarılı olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Extreme events connected with changing climate is vitally important for human and natural systems. Therefore, the main aim of this study is to analyse extrem events, calculating indexes and possible trends of extremes, decreasing risk factor to reduce damage and testing model skills in respect of capturing the extreme events. In this study, daily time-scale analyses have been performed to investigate model skills. Domain of experiment includes Turkey and surrounding area. Önol's previous Regional Climate Model (ICTP-RegCM3) simulation results (2010); daily maximum and minimum temperatures and daily precipitations have been used. Model forced with NCEP/NCAR re-analysis data for period including 1961-2008 and horizontal resolution is 10 km (Önol, 2010). Furthermore, extremes such as heavy precipitation, heat wave etc. have been calculated and analysed. In this study, daily maximum and minimum temperatures and daily precipitation data of Turkey's 187 gages, other than simulations, have been used to calculate extreme indices and possible trends. Through this way, the evaluations of model skills about capturing ability of extreme events will be tested. 
The indices selected from among World Meteorological Organization's (WMO) and World Climate Research Program's (WCRP) extreme indices with regard to impact on human and natural resources. Accordingly, Extreme hot days (TX35), summer days (SU), warm nights (TN90p), warm days (TX90p), Extreme warm days (TX99p) are picked for temperature indices and very wet days (R95p), wet days (RR1), heavy rainy days (R10mm), excessive heavy rainy days (R20mm), consecutive dry days (CDD) are calculated for precipitation indices. Model results and 187 gages of Turkey observed inter-annually to investigate frequency and intensity of extremes. 
Additionally, extremes analysed by Q-Q plots of station points and corresponding points of model results. The analysis have been performed for upper part of 95. Percentile in precipitation and for upper part of 90. Percentile in maximum and minimum temperatures. Results demonstrate that the simulation and observations are highly consistent for both extreme daily precipitation and extreme daily temperature.
Furthermore, time series of all indices of temperature and all indices of precipitation have been observed and correlation coefficients have been calculated. Recent increment at temperature trends have been captured by model results quite well. Additionally, model and observation results are consistent. Similarly, time series of precipitation shows decreasing trend both in model and in observation.
Long-term averages calculated from selected indices demonstrates that the model is consistent with observations both in precipitation and temperature variables. Additionally, the biases show that general patern of precipitation and CDD are captured by model. Hence, model overestimates all precipitation indices. Especially on wet days (RR1) model has positive biases ranges in 50-150 days. Inter-annually analysed temperature results also consistent with observations except Extremely Hot Days Indice (TX99p). All indices results generated by model vary as an acceptable range. Therefore, spatial consistency of model and observation has been proved.
In order to reach information about places where there is no station, extreme indices maps have been generated. These maps capture general pattern of precipitation quite well, despite model has overestimations on RR1. The general pattern and spatial distribution of Drought indice (CDD) also obtained well. Similarly, model resutls capture general pattern and distribution of precipitation indices.
The recent changes of indices have been also performed by calculating the anomaly for the period of 1991-2008 (reference period: 1961-1990). According to analysis, the changes in wet days (RR1) for this period indicate negative signal ranges in 2-15 days over the northern parts of Turkey. On the other hand, recent changes in CDD represent increasing signals over southern parts of Turkey. In the last 18-year period for all domain, all temperature indices shows positive signals. Especially, SU (summer days) TN90p (warm nights) and TX90p (warm days) increase in the range of 10-25 days.
Additionally, trend analysis have been performed to understand decadal tencency of temperature and precipitation indices. The results of trend analysis parallel with recent changes. Decadal analysis of all precipitation indices demonstrate decreasing trend. Especially, RR1 decadal trend shows decreasing tendency in the range of 1-4 days in all regions of Turkey. Additionally, R10mm and R20mm exhibit decreasing trend in range of 1-3 days in Aegean and Black Sea region. On the other hand, drought index (CDD) shows increasing trend in the southern part of Anatolian peninsula. Trend analysis of all temperature indices indicate increasing tendency. Particularly, TX90p, TN90p and SU increase in range of 2-10 days. Decadal tendency of extreme warm days also increases but the range is 1-2 day over Turkey. The trend analysis of TX35 shows increasing signals especially at Aegean region and southern coastlines of Turkey in range of 2-10 days. According to trend analysis, model's accuracy has been proven with regard to capturing skill in both increasing tendency of temperature indices and decrasing tendency of precipitation indices.
To sum up, high-resolution simulations give considerably well results. Simulations and observations consistent with each other. Therefore, changing extreme events and trend analysis of extremes can performed by models. Additionally model has good skills to capture general pattern of temperature and precipitation extremes. According to these analyses, the model usage for extreme event studies will be inevitable.