Yukarı fırat havzası'nda kar bileşenlerinin ölçülmesi, doğrulanması ve modellenmesi
Measuring, validating and modeling of snow components in the upper eupharates basin
Yazar: MUSTAFA CANSARAN ERTAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ ARDA ŞORMAN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yüzey hidrolojisi = Surface hydrology ; Yüzeysel su kaynakları = Surface water resources

Özet:
Küresel su dengesinin önemli bir bileşeni olan yağış, kış mevsimi boyunca dağlık alanlarda kar şeklinde gerçekleşmektedir. Dünya'nın büyük bir kısmını kaplayan kalıcı ve mevsimsel kar örtüsü; atmosferik hareketler, jeofiziksel değişimler, küresel ısınma ve insan etkileri nedeniyle yıldan yıla aşırı değişiklikler gösterebilmektedir. Avrupa'nın 4. en yüksek ülkesi olan Türkiye'nin dağlık doğu kesiminde ise yılın yarısından fazla bir sürede kar yerde kalmaktadır. Söz konusu kar baskın bölge, ülkemizin en büyük barajlarına sahip Fırat-Dicle Havzalarını beslemekte ve "Ortadoğu'nun su kulesi" olma özelliğini taşımaktadır. Bu nedenle, kar örtüsünün zamansal ve mekânsal değişkenliğinin yakından izlenmesi ve modellenmesine ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu çalışmanın odak noktası, Yukarı Fırat Havzası'nı içine alan bölgede arazi üzerinde kar bileşenlerinin ölçülmesi, uzaktan algılama ile kar örtüsünün takibi ve zemin-kar-atmosfer ara yüzündeki etkileşimi içerecek şekilde kar kütlesinin modellenmesidir. Çalışma periyodu olarak, Türkiye'de su ile ilgilenen kurumların girişimleriyle kar gözlem ağının giderek geliştiği 2015-2018 güncel kar sezonları seçilmiştir. Kar sezonu boyunca farklı yükseklik seviyelerinde ve değişik ölçüm yöntemleri (otomatik ve münferit) kullanılarak kar bileşen ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, Türkiye'nin dağlık doğu bölgesinde seçilen uygun alanlarda kar çukur analizleri yapılmıştır. Söz konusu bölgede yükseklikleri 1250 m-2400 m arasında değişen, uzun yıllar boyunca kaydedilmiş 33 adet Kar Gözlem İstasyonu (KGİ) verileri derlenmiş ve ortalama 36 yıllık 4002 gözlem çifti (KD-ρ_kar- KSE) elde edilmiştir. Ortalama olarak 53 cm derinliğe ve 281 kg/m3 yoğunluğa sahip kar kütlesinin 16 cm su potansiyeline sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, Türkiye'de 2015 kar sezonu öncesi kurulmuş olan 11 adet Snow Pack Analyzer (SPA) kar gözlem istasyonunun ekipmanları tanıtılmış, verileri analiz edilmiş ve uydu görüntüleri ile değerlendirilmiştir. Genel olarak, SPA istasyonları 2015-2018 sezonlarında bölgeye göre değişen kar bileşenleri ölçmüş ve Kar Su Eşdeğeri (KSE) açısından uydu görüntüleri ile RMSE olarak 30-480 mm arasında performans sergilemişlerdir. Son olarak, modelleme çalışmalarında ise 5 km x 5 km mekânsal çözünürlüğe sahip tam dağılımlı SNOW-17 kar modeli uygulanmıştır. Noktasal model kalibrasyon ve doğrulama sonuçları, yer gözlem kar verileri ile karşılaştırıldığında Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) açısından sırasıyla ortalama 0.81 ve 0.66 başarı göstermiştir. Ayrıca, elde edilen tam dağılımlı model bulguları Karla Kaplı Alan (KKA) ve Kar Su Eşdeğeri (KSE) bilgisi veren çoklu uydu görüntüleri (IMS, MODIS, SEVIRI ve SSMI/S) ile havza bazlı olarak kıyaslanmıştır. Buna göre, 2015-2018 periyodu için KKA olarak 0.81-0.95 NSE ve KSE olarak 22-65 mm RMSE arasında başarılar elde edilmiştir. Yıldan yıla değişen meteorolojik şartlara göre farklı kar örtüsüne sahip olan bölgede model sonuçlarının her dört uydu görüntüsü ile hem zamansal hem de miktarsal olarak oldukça uyumlu olduğu tespit edilmiştir. 
Birçok öncü uygulamayı (kar çukur analizleri, çoklu uydu görüntüleri ile kar takibi ve tam dağılımlı kar modellemesi) içeren bu tez çalışmasının, Türkiye'de operasyonel kar hidrolojisi uygulamalarında ve su kaynakları yönetiminde öncülük etmesi beklenmektedir.

Abstract:
Precipitation, an important component of the global water balance, occurs in the form of snow in mountainous areas during the winter season. Permanent and seasonal snow covering much of the world show variations from year to year due to; atmospheric movements, geophysical changes, global warming and human impact. In the mountainous eastern part of Turkey, Europe's 4th highest country, snow remains on the ground more than half of the year. This snow dominated region feeds the Euphrates-Tigris Basins, that comprises many large dams of the country, and may also be called as "water tower of the Middle East". Therefore, the spatial and temporal change of the snow cover needs to be closely monitored and modeled.
The focus of this study is the measurement of snow components on land, as well as monitoring the snow cover with remote sensing and modeling the snowpack to include its interaction on the soil-snow-atmosphere interface in the region that encompasses the Upper Euphrates Basin. The recent snow seasons of 2015-2018, when the snow observation network in Turkey has increasingly developed with the initiatives of water-related institutions, are selected as working periods. Snow component measurements are performed during the snow season using different measurement methods (automatic and discrete) at different elevation levels. Within this scope, snow pit analyses are carried out at suitable regions selected in the mountainous eastern Turkey. Within the same area, 33 snow observation station (KGI) data, ranging in altitude from 1250 m to 2400 m, are compiled and 4002 observation pairs (HS- ρ_snow- SWE) are analyzed for an average of 36 years. The long-term data from the region indicates on average a snow pack depth of 53 cm, snow density of 281 kg/m3 and a water potential of 16 cm. In addition, 11 Snow Pack Analyzer (SPA) snow observation station equipment established in Turkey before the 2015 snow season have been introduced, data analyzed and evaluated with satellite imagery. In general, SPA stations measured varying snow components according to region during the 2015-2018 winter seasons and their Snow Water Equivalent (SWE) performance with satellite imagery change from 30 to 480 mm in terms of RMSE. Finally, a fully distributed SNOW-17 snow model with 5 km x 5 km spatial resolution is applied as a modeling study. Snow model calibration and validation results show performances as 0.81 and 0.66 respectively, in terms of Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) compared with ground observations. In addition, the findings of the fully distributed model are evaluated with multiple satellite products (IMS, MODIS, SEVIRI and SSMI/S) that provide information about Snow Covered Area (SCA) and Snow Water Equivalent (SWE). Accordingly, successes are achieved between 0.81-0.95 NSE in terms of SCA and 22-65 mm RMSE in terms of SWE for the 2015-2018 periods. The region has different snow extent compared to meteorological conditions varying from year to year, and the model results are found to be very consistent both temporally and quantitatively with four satellite products.
The thesis including many pioneer applications (snow pit analyses, multi-satellite snow monitoring and fully distributed snow modeling), is expected to pave new directions in operational snow hydrology and water resources management in Turkey.