20 Mayıs 2015 tarihli İzmir'deki konvektif yağış bağlı sel hadisesinin WRF numerik modeli ile simülasyonu
Simulation of flood due to convective precipitation in izmir on 20 May 2015 with WRF numeric model
Yazar: ÖYKÜ CAN
Danışman: PROF. DR. YURDANUR ÜNAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Sağanak yağışlara bağlı gerçekleşen sel baskınları, daha önceden tahmin edilememesindeki zorluğu sebebiyle küresel anlamda zarara sebep olmaktadır. 1995-2015 yılları içerisinde gerçekleşen doğal afet oranlarına bakıldığında, en yüksek zarar veren olayın %43 ile sel-taşkın olduğuna ulaşılabilir (MGM, 2016a). Avrupa Çevre Ajansı'ndan elde edilen bilgiye göre, sadece 2000-2018 yılları içerisinde belirlenebilen maddi zarar 25 milyar avro kadar iken, onun yanı sıra çok fazla insan zarar görmüştür. Türkiye gibi Akdeniz ülkeleri siklonlarla çok sık karşılaşmaları sebebiyle, bahsedilen şekilde gerçekleşen sel baskınlarının fazlasıyla gözlemlendiği yerlerdir. Özellikle şehirleşmenin yoğun olarak yaşandığı bölgelerde, artan nüfus ile beraber değişen çevre şekilleri ve yüzey örtüsü, yağışın yeryüzü tarafından emilme miktarında azalışına sebep olmaktadır (Doocy ve diğ., 2013). Bu sebeple, olayın öngörülmesi hem can hem de mal kaybını en aza indirecektir. Ancak başlangıç koşullarının kusursuz olarak belirlenememesi durumu sebebiyle yapılan hesaplamalardaki hatalar, sonuçlarda daha belirgin ve büyük sorunlara evrilmektedir (Lorenz, 1996). 
Bu çalışmada, hem çevreye çok zarar veren bir olay olması hem de öngörülebilmesindeki zorluğu sebebiyle, kısa sürede gerçekleşen şiddetli yağışa bağlı İzmir Körfezi'ndeki 20 Mayıs 2015 tarihinde olan sel olayı incelenmiştir. 15.00 TSİ ile 16.00 TSİ arasında yağış gözlemlenen olayda, en fazla körfezin doğusu olan Bornova civarındaki bölge etkilenmiştir. İlerleyen zamanlarda yağış daha kuzeye geçerek Bayraklı civarında yağışa sebep olmuştur. Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden (MGM) 20 Mayıs 2015 tarihi için gelen bilgilere göre (MGM, 2020c), meteoroloji gözlem istasyonlarında günlük toplam yağış; Bornova için 67,8 mm, Konak için 37,6 mm, Bayraklı için 15,6 mm, Buca için 4,6 mm ve Karşıyaka için 0,7 mm olmuştur. MGM radar yansıtma görselleri, sinoptik haritalar ve yine MGM yağış değerleri karşılaştırıldığında; 20 Mayıs 2015 tarihinde, 14.00 TSİ ve 15.00 TSİ'de bulutların geliştiği, 16.00 TSİ gibi tamamen Bornova üzerine konumlandığına ulaşılabilir. Yağış, 17.00 TSİ civarında Bornova'dan Bayraklı ile Karşıyaka istasyonlarına, ardından ise daha kuzeydoğuda kalan Aliağa üzerine doğru ilerlemiştir. 
Özellikle 15.00 ile 16.00 TSİ arasında etkili yağışa sebep olan 20 Mayıs 2015 tarihinde gerçekleşen sistemin tahminlenmesinde WRF-ARW modeli kullanılmış ve çeşitli kurulum değişiklikleri yapılarak 39 farklı benzetim çıktısı elde edilmiştir. Merkezinde İzmir Körfezi'ni içeren alanlardan oluşan model bölgesi kullanılan çalışmada; ERA5, ERA-Interim, GFS olmak üzere üç farklı atmosferik girdi verisi kullanılmıştır. Topoğrafik bilgi çözünürlüğünün benzetimler üzerindeki etkisi anlaşılması için CORINE ve MODIS uydu verilerinden elde edilen topoğrafya verileri denenmiş, yatay çözünürlük etkisinin çözümlenebilmesi için 0,5 km × 0,5 km ve 1 km × 1 km olmak üzere iki farklı alansal kurulumu uygulanmıştır. Ayrıca fiziksel parametrizasyonlarda yapılan değişiklikler de bulunmaktadır. Mikrofizik şemaları içerisinden "Thompson Graupel", "Morrison 2-Moment" ile "WDM 6-Class"; uzun dalga boylu radyasyon şemaları içerisinden "RRTM" ile "RRTMG"; kısa dalga boylu radyasyon şemaları içerisinden "Goddard Kısa Dalga" ile "RRTMG"; atmosferik sınır tabakası şemaları içerisinden "YSU" ile "Mellor-Yamada-Janjic TKE"; arazi yüzeyi şemaları içerisinden "Monin-Obukhov Benzerliği" ile "Monin-Obukhov (Janjic Eta) Benzerliği" kullanılırken; yüzey katmanı için "Termal Difüzyon" ile "Noah Yüzey Katmanı Modeli" şemaları denenmiştir. Olay günü öncesinde 1'den 4 güne kadar geri gidilmesinin, yağış üzerindeki etkisinin incelenebilmesi için farklı model yatışma süreleri kullanılmıştır. Ayrıca deniz yüzeyi sıcaklığında yapılan değişiklik ile "grid nudging" yönteminin hesaplama üzerindeki etkisi denenmiştir.
Yapılan benzetimlerin sadece üçü İzmir Körfezi'nde şiddetli yağışa sebep olmuştur. Geri kalan benzetimlerde olay saatleri için 5 mm değerinin üzerinde yağış elde edilememiştir. Elde edilen sonuçlar, GFS girdi verisi ile üretilenler olup ERA-Interim, ERA5 reanaliz verisine göre örüntüsü ve şiddeti bazında daha iyi hesaplama yapmıştır. Ancak, yine de yağış değerleri İzmir Körfezi için çok düşük kalmıştır. Karaburun, Sakız Adası ve Aliağa civarında gerçekleşen yağışlar neredeyse tüm ERA-Interim ile GFS kullanılan benzetimlerde çözümlenebilmiştir; ancak ERA5 bu konuda da başarısız kalmıştır.
Diğer sonuçlar girdi verileri kadar etkili farka sebep olmasa da 1 günlük model yatışma sürelerine sahip benzetimler daha başarılı olurken; hesaplama süresinin uzaması, yağışlarda azalışa nedendir.
1 km × 1 km yatay çözünürlüğe sahip alan için yapılan çözümlemeler, daha yüksek çözünürlüğe sahip olanlara göre yağış örüntüsü açısından daha uyumlu sonuç vermiştir. 0,5 km × 0,5 km olan alanlarda yağış, daha çok Sakız Adası'nda  merkezlenmiştir. Böylece İzmir Körfezi'ne ilerleyememiştir. 
Deniz yüzeyi sıcaklığındaki +1 °C'lık fark, yağış şiddetinin artmasına ve "grid nudging" yöntemi kullanılmama durumunda yağış örüntüsünün daha uyumlu olmasına sebep iken; CORINE verilerinden üretilen arazi kullanım bilgisi ile yapılan sonuçlar da, hem yağış şiddetinde artışa hem de alansal olarak daha uyumlu olmasında etkili olmuştur. 
Fiziksel parametrizasyonlarda yapılan değişiklikler içerisinde en uyumlu yağış örüntüsü "WDM 6-Class"; en uyumlu yağış şiddeti "Morrison 2-Moment" mikrofizik şeması ile üretilmiştir. Ayrıca, "RRTMG" radyasyon parametrizasyonu ile yapılan benzetimler; "Noah Arazi Yüzeyi Modeli" arazi yüzeyi ile "Mellor-Yamada-Janjic TKE" atmosferik sınır tabakası şemaları; "Monin-Obukhov" yüzey tabakası şeması kullanılarak yapılan hesaplamalar daha iyi sonuç vermiştir.
Özellikle ERA veri setlerine göre daha yüksek deniz yüzeyi sıcaklığına sahip olması sebebiyle belirgin bir yağış farkına sebep olan GFS; hem şiddet hem de örüntü olarak en uyumlu sonucu CORINE topoğrafik bilgisi ile yapılan 1G30CY1 benzetiminde vermiştir. GFS ile yapılan benzetimlerin daha iyi sonuç vermesi, Turunçoğlu'nun 2014'te yaptığı çalışmasında da belirttiği gibi, Türkiye'de gözlemlenen yağışların deniz yüzeyi sıcaklığından çok fazla etkilenmesi ile açıklanabilir.
İleride yapılacak çalışmalarda başlangıç ve sınır koşullarını oluşturması için GFS, arazi kullanımı olarak CORINE kullanılması önerilmektedir. Ayrıca, fiziksel parametrizasyonları kendi içlerinde karşılaştırıldığında anlamlı sonuç üretilse de, körfezde gözlemlenen yağış değerlerine yakın bir sonuç üretilmemiştir. Bu sebeple, GFS verisi, CORINE arazi kullanım verisi ve/veya çalışmada denenmemiş fiziksel parametrizasyon kombinasyonların kullanımı ile daha şiddetli yağış üretilebileceği öngörülmektedir. İzmir Körfezi için yapılan çözümlemelerde "grid nudging" yöntemi başarısız olmuştur.Bu sebeple körfez için yapılacak hesaplamalarda önerilmemektedir. ERA5 ve ERA-Interim ile çözümlenen benzetimlerde deniz yüzeyi sıcaklığındaki değişim irdelendiği için GFS ile kullanımında nasıl bir sonuç olacağı bilinmemektedir. Ancak yağış şiddetinde artış olacağı öngörülmektedir.

Abstract:
Floods due to rapid heavy rains cause global damage due to the difficulty of unpredictability. When the rates of natural disasters between 1995 and 2015 are considered, it can be reached that the most damaging event was flood with 43% (MGM, 2016a). According to the information obtained from the European Environment Agency (2018), while the financial damage for the years 2000-2018 was about 25 billion Euros, a lot of people were injured besides it. Floods are frequently observed in Mediterranean countries like Turkey, because very often encounter with cyclones. Especially in regions where urbanization is intense, changes in environmental conditions and surface cover with increasing population cause a decrease in the absorption amount of precipitation by the earth (Doocy et al., 2013). For this reason, predicting the flood event will minimize both life and property loss. However, errors in the predictions increase due to the observational inability to determine the true initial conditions and these initial condition errors evolve into larger problems in the results (Lorenz, 1996).
In this study, the flood event in Izmir Bay on May 20, 2015, due to heavy rainfall in a short time, has been investigated, both because it is a very damaging event for the environment and is difficult to predict. In the event, heavy precipitation was observed between 15.00 TSI and 16.00 TSI and the region around Bornova, the east of the bay, was affected the most. Later on, the precipitation moved further north and caused rainfall around Bayraklı. According to the information received from the Turkish State Meteorological Service (MGM) for 20 May 2015 (MGM, 2020c), the total daily precipitation at meteorology observation stations is 67.8 mm in Bornova, 37.6 mm in Konak, 15.6 mm in Bayraklı, 4.6 mm in Buca and It was 0.7 mm in Karşıyaka. When the radar reflectivity visuals from MGM, synoptic maps and rainfall values measured by MGM are compared, it can be seen that the clouds developed at 11.00 UTC  (14:00 LT)  and 12.00 UTC (15:00 LT) on 20 May 2015, and it is completely located on Bornova at 14.00 UTC (16:00 LT). Rainfall proceeded from Bornova to Bayraklı and Karşıyaka stations around 14.00 UTC, and then towards Aliağa, which is further northeast.
The WRF-ARW model with 39 different simulation outputs were obtained by making various set ups was used in the estimation of the system, which caused effective rainfall between 12.00 UTC and 13.00 UTC, on 20 May 2015. Three different atmospheric input data that are ERA5, ERA-Interim, GFS, were used in the study. All model set ups has domains consisting of areas including the Izmir Bay in its center. In order to understand the effect of topographic information resolution on simulations, topography data obtained from CORINE and MODIS were used, and two different spatial resolution set ups as 0.5 km × 0.5 km and 1 km × 1 km were applied to observe the horizontal resolution effect. There are also changes made in physical parameterizations. Various microphysical schemes ("Thompson Graupel", "Morrison 2-Moment" and "WDM 6-Class"), long wavelength radiation schemes ("RRTM" and "RRTMG"), short wavelength radiation schemes ("Goddard Short Wave" and "RRTMG"), atmospheric boundary layer schemes ("YSU" and "Mellor-Yamada-Janjic TKE"), land-surface schemes ("Monin-Obukhov Similarity" and "Monin-Obukhov (Janjic Eta) Similarity") and surface-layer schemes ("Thermal Diffusion" and "Noah Surface Layer Model") have been tested in simulations. Different spin up values have been used to examine the effect of warm up time of the model from 1 day to 4 days before the event day. In addition, the effects of the nudging method and the sea surface temperature on the simulation of the precipitation intensity and distribution were tested.
Only three of the simulations produced heavy rainfall in Izmir Bay area. In the remaining simulations, precipitation over 5 mm could not be obtained for the event hours. The results obtained by using GFS and ERA-Interim data as initial and boundary  conditions  show better estimates on the basis of precipitation distribution and intensity compared to ERA5 reanalysis data. However, precipitation amounts during the convective precipitation hour  remained very low on Izmir Bay. Precipitation occurring around Karaburun, Chios and Aliağa could be analyzed in almost all ERA-Interim and GFS simulations; however, ERA5 failed in this regard as well.
Although other results do not make a difference as effectively as input data, simulations with 1-day spin up value are more successful. Besides, the prolongation of the calculation period is the reason for the decrease on both precipitation area and intensity.
Analyzes made for the area with a horizontal resolution of 1 km × 1 km gave more consistent results in terms of precipitation pattern than those with higher resolution. In 0.5 km × 0.5 km areas, precipitation was mostly observed in Chios. Thus, it did not pass through to the Izmir Bay. Also, that made the precipitation intensity on Aliağa region to decrease.
Both 1°C warmer sea surface temperature and grid nudging method increase the precipitation amount. Also, the results using WRF-ARW with land use distribution obtained from the CORINE data were effective in both the increase in the precipitation intensity and the precipitation pattern.
Among the changes made in physical parameterizations, the most compatible precipitation pattern was simulated  by WRF-ARW with "WDM 6-Class" and the most harmonious precipitation intensity was produced by the "Morrison 2-Moment" microphysical scheme. In addition, simulations with "RRTMG" radiation parameterization, "Noah Land Surface Model" land surface parametrization, "Mellor-Yamada-Janjic TKE" atmospheric boundary layer parametrization and "Monin-Obukhov" surface layer scheme gave better results than other schemes.
GFS, which causes a significant difference in precipitation, especially due to its higher sea surface temperature compared to ERA data sets, gave the most harmonious result in terms of both intensity and pattern in 1G30CY1 simulation. That was made with the CORINE land use data. As stated in the Turunçoğlu's study in 2014, the most of all precipitations are observed in Turkey explained by the influence of the sea surface temperature. Our results also indicate that WRF-ARW driven by GFS initial and boundary conditions with relatively higher sea surface temperatures compared to the others  captures convective precipitation better than the other simulations.
In future studies, it is recommended to use GFS as input and CORINE as landuse data. In addition, although the physical parameterizations produced significant results in their comparisons, they were insufficient due to the low amount of precipitation in the bay. For this reason, it is predicted that higher precipitation values can be obtained from either untested physical parametrization combinations in the study and ERA-Interim or using same parametrizations with GFS and CORINE data. The grid nudging method did not make significant improvement in the estimations of the convective precipitaion event for Izmir Bay. For this reason, it is not recommended to be used in a region such as Izmir. Since the increase in sea surface temperature causes an increase in precipitation values when used with ERA data, it is unknown what effect it will have when used with GFS. However, it is predicted that there will be an increase in precipitation severity.