Karadeniz'in güney batı kıyıları için iç içe geçmiş karelaj sistemli dalga tahmin modelinin geliştirilmesi ve dalga iklim analizi
Wave climatology and development of a wave hindcast model with the nested grid system for the south western coasts of the Black Sea
Yazar: BİLAL BİNGÖLBALİ
Danışman: DOÇ. DR. ADEM AKPINAR
Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, üç alt karelaj şeklinde Karadeniz'in güneybatı bölümüne odaklanan iç içe geçmiş sayısal dalga tahmin modelinin geliştirilmesi, uzun vadeli bir dalga tahmin veri setinin oluşturulması ve ilgi alanı için dalga iklim analizinin yürütülmesi hedeflenmiştir. Bu hedefe ulaşabilmek için öncelikle, iç içe geçmiş karelaj metodolojisine dayanan bir dalga tahmin modeli SWAN (Simulating Waves Nearshore) versiyon 41.01AB kullanılarak geliştirilmiş, kalibre edilmiş ve doğrulanmıştır. Duyarlılık testleri, hesaplamalı karelaj çözünürlüğü, fiziksel formülasyonlar ve ayarlanabilir katsayıları, sayısal ayarlar, durağan olmayan hesaplamanın zaman aralığı ve rüzgar girdileri dikkate alınarak gerçekleştirilmiştir. SWAN modelinin farklı GEN3 fizik seçenekleri (rüzgar girdi ve köpüklenme kombinasyonu) ve ayarlanabilir köpüklenme katsayısına (Cds) ve durağan olmayan hesaplamanın zaman aralığına duyarlılığının olduğu anlaşılmış ve bu parametreler için kalibrasyon gerçekleştirilmiştir. Her bir karelaj için kalibre edilen SWAN model yine her bir karelaj için kalibrasyonda kullanılmayan ölçüm verileri ile doğrulanmıştır. Dalga üremesi ve köpükleme kombinasyonu için sırasıyla Komen ve Janssen fizik seçeneklerine sahip ve SD1 Sinop alt karelajında Cds=3, SD2 Filyos alt karelajında Cds=9 ve SD3 Karaburun alt karelajında Cds=2 olarak ayarlanan SWAN modelin, belirgin dalga yüksekliği ve ortalama ve/veya pik dalga periyotlarını yüksek düzeyde doğrulukla tahmin ettiği belirlenmiştir. Her bir alt karelaj için 31 yıllık uzun dönemli bir dalga tahmin veri seti oluşturmak maksatlı kalibre edilen ve doğrulanan iç içe geçmiş karelajlı dalga tahmin modeli kullanılarak simülasyonlar yürütülmüş ve farklı rüzgar ve dalga karakteristikleri 2 saatlik zamansal çözünürlükte biriktirilmiştir. Üretilen bu veri tabanı kullanılarak öncelikle, farklı dalga parametrelerinin uzun dönemli yıllık, mevsimlik ve aylık ortalama değerlerinin alansal değişimleri, belirgin dalga yüksekliklerinin farklı bir kritik değerden daha büyük olma olasılıklarının ve farklı aşılma olasılıklı değerlerinin alansal dağılımları, uzun dönemli maksimum belirgin dalga yüksekliğinin alansal değişimleri tespit edilmiştir. Her bir alt karelajda önceden belirlenmiş bazı istasyonlar için dalga gülleri, farklı dalga parametrelerinin ikili ilişkileri ve farklı tekerrür süreli tasarım dalgaları belirlenmiştir. Dalga gülleri, belirgin dalga yüksekliğinin ortalama dalga periyodu ile ikili ilişkisi ve farklı tekerrürlü tasarım dalgaları açısından sonuçların Türkiye Denizleri Rüzgar ve Derin Deniz Dalga Atlasının sonuçları ile kıyaslaması da yapılmıştır. Dalga gülleri açısından benzerliklerin çok olmasına karşın özellikle farklı tekerrürlü tasarım dalgaları açısından farklılıkların olduğu tespit edilmiştir. SD3 Karaburun karelajının batısında bu çalışmada dalga atlasınınkine kıyasla 2 m'den daha büyük 100 yıllık tasarım dalgası elde edilirken diğer alt karelajlarda dalga atlasının 1 m'ye kadar daha yüksek 100 yıllık tasarım dalgası sunduğu belirlenmiştir.

Abstract:
This study aimed at developing a nested numerical wave prediction model focusing on the southwestern part of the Black Sea in three sub-grids, to construct a long term wave prediction data set and to carry out wave climate analysis for the area. To achieve this goal, a wave prediction model based on nested grid methodology was developed, calibrated and verified using SWAN (Simulating Waves Nearshore) version 41.01AB. Sensitivity tests were performed taking into account computational grid resolution, physical formulations and their adjustable coefficients, numerical settings, time interval of non-stationary computation, and wind input. The SWAN model was found to be sensitive to different GEN3 physics options (wind input and whitecapping combinations), adjustable whitecapping coefficient (Cds), and non-stationary computation time step, and calibration was performed for these parameters. The SWAN model calibrated for each grid was again verified using the measurement data not used in the calibration for each grid. The SWAN model with the Komen and Janssen physics options for wave growth and whitecapping combination, respectively, and set as Cds = 3 in the SD1 Sinop sub-grid, Cds = 9 in  SD2 Filyos sub-grid and Cds = 2 in the SD3 Karaburun sub-grid, has high prediction accuracy of significant wave height and mean and /or peak wave periods. Simulations were carried out using a calibrated and verified nested grid wave prediction model to generate a 31-year long-term wave prediction for each sub-grid, and different wind and wave characteristics were accumulated in a temporal resolution of 2 hours. Using this database, spatial variations of long-term annual, seasonal and monthly average values of the different wave parameters, spatial distributions of the probabilities that the significant wave heights are greater than a critical value and probability of exceeding different values and spatial variations of the long-term maximum significant wave height have been determined. For each of the predetermined stations in each sub-grid, wave roses, bimodal relationships of different wave parameters, and design waves with different recurrence periods are determined. Results in terms of wave roses, bilateral relations of average wave period and significant wave height and different recurrent design waves were compared with results of the Wind and Deep Sea Wave Atlas of Turkish Seas. Although there are a lot of similarities in terms of wave roses, it has been found that there are differences especially in terms of different recurrent design waves. A 100-year design wave greater than 2 m was obtained in west of SD3 Karaburun grid in this study compared to that of the wave atlas, while in the other sub-grids, the wave atlas provided a 100-year design wave of up to 1 m higher.