İklim değişikliğinin hidro-meteorolojik parametrelere etkisi
Impact of climate change on hydro-meteorological parameters
Yazar: GAMZE TUNCER
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN SÖNMEZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Hidroloji = Hydrology ; Hidrolojik modelleme = Hydrological modelling ; Kalibrasyon = Calibration ; İklim değişikliği = Climate change

Özet:
Atmosferdeki sera gazlarının artışı, ormanların yok olması, endüstriyel faaliyetler ve diğer insan faaliyetleri gibi faktörlerden kaynaklanan ve günümüzün en önemli sorunlarından biri olan iklim değişikliği, dünya genelinde hava koşullarında uzun vadeli değişikliklere yol açmaktadır. Meteorolojik parametrelerdeki bu değişiklikler su kaynaklarının miktarı, kalitesi, dağılımı ve dünya üzerindeki yaşamın devamı için kritik bir öneme sahip olan hidrolojik döngü üzerinde önemli etkilere yol açabilmektedir. Sürdürülebilir su kaynakları yönetimi ve iklim değişikliği ile mücadele stratejileri oluşturmak için hidrolojik döngüyü anlamak ve izlemek önemlidir. Hidrolojik döngü olgusunu anlamak, simüle etmek ve gelecekteki değişikliklere yanıt vermek için hidrolojik modeller kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, Bursa, Balıkesir ve Kütahya illerinin bir kısmını kaplayan, Susurluk Havzasının alt havzalarından olan Emet, Orhaneli ve Mustafakemalpaşa havzalarının birleşiminden oluşan çalışma alanında SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hidrolojik modeli ile analiz yapılarak havzadaki iklim değişikliği etkileri değerlendirilmiştir. SWAT modeli sonuçları üzerinde önemli bir etkiye sahip olan parametrelerin belirlenmesi (duyarlılık analizi), gözlem akım verileri ile hidrolojik model simülasyon sonuçlarının uyumluluğunun kalibrasyonu ve doğrulanması işlemlerinde SWAT-CUP (SWAT Kalibrasyon ve Belirsizlik Programı) programı SUFI-2 (Sıralı Belirsizlik Uydurma-2) algoritması kullanılmıştır. Model performans kriteri olarak Determinasyon Katsayısı (R²), Kök Ortalama Kare Hatasının Gözlem Verilerinin Standart Sapmasına Oranı (RSR), Nash-Sutcliffe Verimliliği (NSE), p-faktörü ve r-faktörü kullanılmıştır. Çalışma havzasında bulunan bir adet akım gözlem istasyonuyla yapılan ön kalibrasyon işlemi sonucu model performans ölçüt ve dereceleri Döllük akım gözlem istasyonu için R²=0.76, RSR=0.66, NSE=0.56 ve performans ölçütü bakımından "iyi". "tatmin edici"  ve "tatmin edici" olarak elde edilmiştir. Döllük akım gözlem istasyonu için kalibrasyon işlemi sonucu model performans ölçüt ve dereceleri R²=0.75, RSR=0.51, NSE=0.74 ve "tatmin edici", "iyi" ve "iyi" olarak elde edilmişken, doğrulama işlemi sonucu model performans ölçüt ve dereceleri R²=0.83, RSR=0.54, NSE=0.70 ve "iyi", "iyi" ve "tatmin edici" olarak elde edilmiştir. Ayrıca p-faktörü ve r-faktörü sonuçları kalibrasyon işleminde sırasıyla 0.81 ve 0.98 olarak elde edilmişken, doğrulama işleminde sırasıyla 0.51 ve 1.32 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar değerlendirildiğinde Emet, Orhaneli ve Mustafakemalpaşa havzalarının birleşmesiyle oluşan çalışma havzası için başarılı olarak nitelendirilebilecek bir SWAT hidrolojik modeli kurulmuştur. Elde edilen bu hidrolojik model iklim değişikliğinin çalışma alanı üzerinde etkilerini tahlil etmek amacıyla kullanılmıştır. 
Bu çalışmada CORDEX programının Avrupa kolunun iklim simülasyon modellerinin bias düzeltmesi yapılmış iklim verilerinin kullanılması planlanmış ve hangi küresel ve bölgesel iklim modelinin kullanılacağına modellerin geçmiş ham verileriyle aynı periyotta ölçülmüş gözlem verilerinin kıyaslanmasıyla karar verilmiştir. İklim modeli olarak CMIP5 kapsamındaki MPI-ESM-LR küresel iklim modelinin RCA4 bölgesel iklim modeli kullanılarak ölçeği küçültülmüş ve bias (hata) düzeltmesi yapılmış, RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları 2021-2100 periyodu verileri CORDEX programının Avrupa kolu (EURO-CORDEX) projesinden temin edilerek kullanılmıştır. Bu iklim verileri kullanılarak 2026-2100 periyodu RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları verileri aylık zaman diliminde aynı periyotta, mevsimsel ve yıllık zaman diliminde ise 2026-2050, 2051-2075 ve 2076-2100 periyotlarında analiz edilmiştir. 
MPI-ESM-LR/RCA4 iklim modeli 2026-2100 gelecek projeksiyonunda havzadaki istasyonlar meteorolojik açıdan incelendiğinde RCP4.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları yıllık toplam yağış miktarında sırasıyla 393 mm, 467 mm, 163 mm ve 118 mm artış gözlemlenirken; RCP8.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları yıllık toplam yağış miktarında sırasıyla 297 mm, 383 mm, 96 mm ve 75 mm artış gözlemlenmiştir. Tüm istasyonlar için yağış miktarlarında RCP4.5 senaryosuna göre beklenen artış RCP8.5 senaryosuna göre beklenen artıştan fazla olmuştur. Diğer istasyonlara kıyasla en fazla yağış miktarı artışının yaşanacağı istasyon Keles istasyonu olacaktır. RCP4.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları ortalama yıllık maksimum sıcaklık değerlerinde sırasıyla 2.90 °C artış, 0.88 °C artış, 0.69 °C azalış ve 2.82 °C artış beklenirken, RCP8.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları ortalama yıllık maksimum sıcaklık değerlerinde sırasıyla 3.84 °C, 4.76 °C, 2.23 °C ve 2.03 °C artış beklenmektedir. RCP4.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları ortalama yıllık minimum sıcaklık değerlerinde sırasıyla 0.22 °C artış, 1.76 °C azalış, 2.92 °C artış ve 0.63 °C azalış beklenirken, RCP8.5 senaryosuna göre Dursunbey, Keles, Tavşanlı ve Mustafakemalpaşa istasyonları ortalama yıllık minimum sıcaklık değerlerinde sırasıyla 3.54 °C, 2.35 °C, 6.51°C ve 3.08 °C artış beklenmektedir. MPI-ESM-LR/RCA4 iklim modeli 2026-2100 gelecek projeksiyonunda havzadaki Döllük akım gözlem istasyonu hidrolojik açıdan incelendiğinde Döllük istasyonu aylık akımlarının her iki iklim senaryosuna göre de arttığı gözlemlenmiştir. Döllük istasyonu aralık-mart ayları arası sulak dönemde RCP4.5 ve RCP8.5 senaryolarına göre akımların sırasıyla %144.7 (77 m³/s) ve %108.9 (56 m³/s ) oranlarında ciddi şekilde arttığı görülmüştür. RCP4.5 gelecek iklim senaryosuna göre ortalama aylık akımlarda beklenen artış RCP8.5 gelecek iklim senaryosuna göre beklenen artıştan fazladır.

Abstract:
Climate change, one of the most important problems of our time, caused by factors such as the increase in greenhouse gases in the atmosphere, deforestation, industrial activities, and, other human activities, leads to long-term and generalized changes in weather conditions around the world. These changes in meteorological parameters can have significant impacts on the quantity, quality, and distribution of water resources and the hydrological cycle, which is critical for the survival of life on Earth. Understanding and monitoring the hydrological cycle is important for sustainable water resources management and strategies to mitigate climate change. Hydrological models are used to understand and simulate the hydrological cycle and to respond to future changes. Within the scope of this study, the effects of climate change in the basin were evaluated by analyzing with SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrological model in the study area, which covers a part of Bursa, Balıkesir and Kutahya provinces and consists of the combination of Emet, Orhaneli and Mustafakemalpasa basins, which are sub-basins of Susurluk Basin. The hydrological model of the basin was created using the digital elevation model, land use and cover map, soil map, slope map and reservoir information of the study area and daily total precipitation, daily maximum temperature and daily minimum temperature data obtained from Dursunbey, Keles, Tavsanli and Mustafakemalpasa meteorological observation stations. The SUFI-2 (Sequential Uncertainty Fitting-2) algorithm of the SWAT-CUP (SWAT Calibration and Uncertainty Program) program was used to determine the parameters that have a significant effect on the SWAT model results (sensitivity analysis), and to calibrate and verify the compatibility of observation flow data and hydrological model simulation results. Coefficient of Determination (R²), Root Mean Square Error to Standard Deviation of Observation Data (RSR), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), p-factor and r-factor were used as model performance criteria. As a result of the preliminary calibration process with one streamflow observation station in the study basin, the model performance criteria and grades were obtained as R²=0.76, RSR=0.66, NSE=0.56 and "good","satisfactory" and "satisfactory" for Dolluk streamflow observation station. While the model performance criteria and grades were obtained as R²=0.75, RSR=0.51, NSE=0.74 and "satisfactory", "good" and "good" as a result of the calibration process, the model performance criteria and grades were obtained as R²=0.83, RSR=0.54, NSE=0.70 and "good", "good" and "satisfactory" as a result of the validation process. In addition, the p-factor and r-factor results were 0.81 and 0.98, respectively, in the calibration process, while they were 0.51 and 1.32, respectively, in the validation process. When these results are evaluated, a SWAT hydrological model that can be characterized as successful for the study basin formed by the merger of Emet, Orhaneli and Mustafakemalpasa basins has been established. This hydrological model was used to analyze the effects of climate change on the study area.
In this study, the bias-corrected climate data of the climate simulation models of the European branch of the CORDEX program were planned to be used and which global and regional climate model would be used was decided by comparing the past raw data of the models with the observation data measured in the same period. As a climate model, the RCA4 regional climate model of the MPI-ESM-LR global climate model within the scope of CMIP5 was downscaled and bias corrected using the RCA4 regional climate model, and the data for the period 2021-2100 for the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were obtained from the European branch of the CORDEX program (EURO-CORDEX) project and used. Using these climate data, the data of RCP4.5 and RCP8.5 scenarios for the period 2026-2100 were analyzed in the same period in the monthly time period, and in the seasonal and annual time periods 2026-2050, 2051-2075 and 2076-2100.
When the stations in the basin are analyzed meteorologically in the MPI-ESM-LR/RCA4 climate model 2026-2100 future projection, according to RCP4.5 scenario, Dursunbey, Keles, Tavsanli and Mustafakemalpasa stations have an increase of 393 mm, 467 mm, 163 mm and 118 mm in total annual precipitation, respectively; while according to RCP8. 5 scenario, Dursunbey, Keles, Tavsanli, and Mustafakemalpasa stations have increased their total annual precipitation by 297 mm, 383 mm, 96 mm, and 75 mm, respectively. For all stations, the expected increase in precipitation amounts according to the RCP4.5 scenario is higher than the expected increase according to the RCP8.5 scenario. Keles station will have the highest increase in rainfall compared to other stations. According to RCP4.5 scenario, Dursunbey, Keles and Mustafakemalpasa stations average annual maximum temperature values are expected to increase by 2.90 °C, 0.88 °C and 2.82 °C, respectively, while Tavsanli station average annual maximum temperature value is expected to decrease by 0.69 °C. According to RCP8.5 scenario, average annual maximum temperature values of Dursunbey, Keles, Tavsanli and Mustafakemalpasa stations are expected to increase by 3.84 °C, 4.76 °C, 2.23 °C and 2.03 °C, respectively. According to RCP4.5 scenario, 0.22 °C increase, 1.76 °C decrease, 2.92 °C increase and 0.63 °C decrease are expected in the average annual minimum temperature values of Dursunbey, Keles, Tavsanli and Mustafakemalpasa stations, respectively, while according to RCP8.5 scenario, 3.54 °C, 2.35 °C, 6.51 °C and 3.08 °C increase is expected in the average annual minimum temperature values of Dursunbey, Keles, Tavsanli and Mustafakemalpasa stations, respectively. In the MPI-ESM-LR/RCA4 climate model 2026-2100 future projection, when the Dolluk streamflow observation station in the basin is analyzed hydrologically, it is observed that the monthly flows of Dolluk station increase according to both climate scenarios. Dolluk station showed a significant increase in flows by 144.7% (77 m³/s) and 108.9% (56 m³/s) compared to RCP4.5 and RCP8.5 scenarios in the wet period between december and march. The expected increase in average monthly flows under the RCP4.5 future climate scenario is higher than the expected increase under the RCP8.5 future climate scenario.
Increasing rainfall regimes with climate change may increase flood risks in the study area. Therefore, it is critical to develop strategies that are adaptive to possible future rainfall changes. It is important to strengthen water management infrastructure to cope with increasing rainfall regimes. In this context, dams and ponds with larger storage capacity can be built. In addition, water management strategies can be implemented to store and use water more efficiently over time. Urban drainage systems can be upgraded to manage rainwater more effectively in urban areas. In this context, green infrastructure projects and water recovery systems can be implemented to increase the natural absorption of water. Protective embankments, dykes and river flood control structures can be built to reduce the risk of flooding along river banks and river basins. Early warning systems can be used to predict future rainfall changes and inform the public in a timely manner. It is important to educate and raise awareness of the public, local authorities and experts on climate change and flood risks. These education and awareness-raising efforts can help society to be better prepared for the impacts of climate change. In addition, an increase in precipitation may raise the water levels of Uluabat Lake, which is located in the study area and protected by the Ramsar Convention, increasing the risk of erosion in coastal areas and affecting lakeshore infrastructure. Increasing lake water levels may affect the vegetation and underwater habitats in the coastal areas of the lake. This may adversely affect the species it contains, leading to degradation of the lake ecosystem. High water levels may cause lake waters to spread over a larger area than normal, causing flooding in coastal areas and surrounding settlements.
On the other hand, this hydrological model can make significant contributions to the operation studies of the dams in the basin, to determine the current and future management strategies of the basin, and to make decisions to mitigate the effects of climate change. This model will be useful for effective planning on water resources and ensuring the sustainability of water management strategies.