Doğrusal olmayan kıyı ve okyanus dinamiklerinin seyrek tanılanması (Sinecod): Sindy algoritması kullanarak öncü analizler
Sparse identification of nonlinear coastal and ocean dynamics (Sinecod): Pioneering analyses using Sindy algorithm
Yazar: TAYYİBE ERİŞTİ
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN BAYINDIR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Büyük veri = Big data ; Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Doğrusal olmayan dinamik sistemler ve yöntemler = Nonlinear dynamical systems and methods ; Doğrusal olmayan sistemler = Nonlinear systems ; Kıyı akıntısı = Coastal current ; Kıyı mühendisliği = Coastal engineering ; Kıyısal akıntılar = Coastal flow ; Lagrange yaklaşımı = Lagrange approximation

Özet:
Okyanus ve kıyı bölgelerindeki hidrodinamik etkilerin modellemesi, kıyı erozyonu, kirlilik ve müsilaj yayılımı gibi önemli olayları anlamak ve tahmin etmek için kritik öneme sahiptir. Bu tür alanlarda, gemi ve tekne sürüklenmesi, akıntı bloklaması gibi çeşitli olayların mekanizmalarını anlamak, kritik altyapı ve doğal kaynakların korunması için hayati önem taşır. Bu amaçla, hesaplamalı analiz teknikleri ve deneysel sistemler, örneğin Lagrange sürüklenicisi ve kablosuz duyarga ağları gibi çeşitli yöntemler kullanılmaktadır.
Son yıllarda, ARGO gibi çok uluslu projelerin uygulanmasıyla birlikte, küresel ölçekte eşzamanlı Lagrange sürüklenicisi gözlemleme çalışmaları da gerçekleştirilmektedir. Bunlar, deniz hidrodinamiğinin daha iyi anlaşılması ve modellemesi için önemli veri sağlamaktadır. Ancak, deniz koşullarının sürekli değişmesi, hesaplamalı yöntemlerin batimetri haritaları üzerinde tekrarlanmasını gerektirmekte ve bu da modelleme sürecini yavaşlatabilmektedir.
Karmaşık veri ve parametrelerin kullanılması bazen tutarsız sonuçlar doğurabilir. Rüzgâr, dalga, akıntı ve batimetri gibi birçok değişkenin etkileşimi, modelleme çalışmalarında belirli zorluklar yaratabilir. Bu nedenle, daha güvenilir ve tutarlı sonuçlar elde etmek için modelleme tekniklerinin ve veri kullanımının geliştirilmesi sürekli olarak araştırılmaktadır.
Bu çalışmada, kıyı ve okyanus hidrodinamik süreçlerinin mekanizmalarını modelleme amacıyla Seyrek Nonlineer Dinamik Sistem (SINDy) algoritmasının kullanılabilirliğini araştırılmıştır. SINDy yaklaşımı, nesnelerin ve partiküllerin sürüklenme yollarını, hesaplama veya ölçüm teknikleriyle belirlenen en az sayıda seyrek bileşenli basit diferansiyel denklemlerle açıklamayı hedefler. Bu amaçla Pasifik Okyanusu'ndaki bir sürükleniciden elde edilen verileri analiz ederek sürüklenme yollarını ve zaman serilerini yeniden oluşturuyoruz. Özellikle okyanus ve kıyı hidrodinamik etkilerin modellemesinde SINDy algoritmasının uygulanabilirliğini inceliyoruz. Çalışmamız, bölgesel hidrodinamik denklemleri hızlı ve doğru bir şekilde tahmin edebilen bir SINDy tabanlı algoritmik yaklaşımın önerilebileceğini savunmaktadır.
Tezin birinci bölümünde konu ve kapsamı, amacı ve önemine değinilmiş, metodolojki genel olarak anlatılmıştır. 
İkinci bölümünde, SINDy algoritması ile yapılmış önceki çalışmalar kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Özellikle, SINDy algoritmasının teorik temelleri, mevcut uygulamaları ve hidrodinamik modelleme alanındaki potansiyel katkıları ele alınmıştır. Hidrodinamik sistemlerde kullanılan farklı modelleme teknikleri karşılaştırılarak, SINDy algoritmasının bu alanda sunduğu yenilikler ve avantajlar vurgulanmıştır.
Üçüncü bölümde, çalışmanın metodolojik yaklaşımı detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Öncelikle, Lagrange sürüklenici verilerinin elde edildiği kaynaklar belirtilmiş ve bu verilerin SINDy algoritmasıyla nasıl analiz edileceği adım adım açıklanmıştır. Veriler Amerika Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi (NOAA) Fiziksel Okyanusografi Bölümü (PhOD) web portalından elde edinilmiştir. Portal, https://www.aoml.noaa.gov/phod/gdp/realtime-data.php adresinden erişilebilir. SINDy algoritmasının temel prensipleri ve uygulama süreçleri, trigonometrik terimlerin kullanılması ve kullanılmaması durumlarına göre iki farklı senaryo altında incelenmiştir. Bu bölümde, kullanılan veri analiz teknikleri ve hesaplamalı yöntemler detaylandırılmıştır.
Dördüncü bölümde, yapılan analizler sonucunda elde edilen bulgular sunulmuş ve SINDy algoritmasının kıyı hidrodinamiği modellemesine uygunluğu tartışılmıştır. Elde edilen sonuçlar, SINDy algoritmasının karmaşık modellemeye gerek kalmadan bölgesel kıyı hidrodinamiği denklemlerini hızlı ve doğru bir şekilde belirleyebileceğini göstermektedir. Bu sonuçların, kıyı hattı erozyon gelişim süreçleri, kirlilik yayılımı, gemi ve tekne sürüklenmesi gibi olayların modellemesinde kullanılabileceği vurgulanmıştır. Ayrıca, SINDy algoritmasının pratik uygulamaları, potansiyel kullanım alanları ve gelecekteki araştırma fırsatları değerlendirilmiştir. Bu bağlamda, elde edilen verilerin gemi kazaları ve çeken akıntı boğulmaları gibi durumlarda da kullanılabileceği öne sürülmektedir.
Bu tez çalışması, SINDy algoritmasının okyanus ve kıyı hidrodinamik süreçlerinin modellemesinde etkin bir araç olabileceğini göstermektedir. Çalışmanın bulguları, okyanus ve kıyı mühendisliği yanında nehir hidroliği gibi çeşitli alanlarda da önemli katkılar sunabilecektir. Gelecekteki araştırmalarda, bu algoritmanın daha geniş veri setleri ve farklı hidrodinamik koşullar altında test edilmesi önerilmektedir. Bu sayede, modelleme tekniklerinin geliştirilmesi ve uygulama alanlarının genişletilmesi mümkün olacaktır.

Abstract:
Modeling the hydrodynamic effects in oceans and coastal regions is crucial for understanding and predicting significant events such as coastal erosion, pollution dispersion, and mucilage spread. Various phenomena like ship and boat drifts, current blockages, among others, play vital roles in preserving critical infrastructure and natural resources. To achieve this, computational analysis techniques and experimental systems, such as Lagrangian sürüklenicis and wireless sensor networks, are employed.
In recent years, multinational projects like ARGO have implemented globally synchronized Lagrangian sürüklenici observation studies. These initiatives provide essential data for better understanding and modeling marine hydrodynamics. However, the continuous variability of marine conditions necessitates repeated computational methods on bathymetric maps, which can slow down the modeling process.
The use of complex data and parameters can sometimes lead to inconsistent results. Interactions between variables like wind, waves, currents, and bathymetry pose specific challenges in modeling studies. Therefore, research continually focuses on improving modeling techniques and data utilization to achieve more reliable and consistent results.
This study investigates the applicability of the Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) algorithm for modeling the mechanisms of coastal and ocean hydrodynamic processes. The SINDy approach aims to describe the drift paths of objects and particles using the minimum number of sparse component simple differential equations determined by computational or measurement techniques. We analyze data obtained from a sürüklenici in the Pacific Ocean to reconstruct drift paths and time series, particularly examining the feasibility of the SINDy algorithm in modeling ocean and coastal hydrodynamic effects.
The first chapter of the thesis discusses the topic and scope, emphasizing its purpose and importance, while providing a general overview of the methodology. In the second chapter, previous studies utilizing the SINDy algorithm are comprehensively reviewed. This includes discussing the theoretical foundations, current applications, and potential contributions of the SINDy algorithm in hydrodynamic modeling. Different modeling techniques used in hydrodynamic systems are compared, highlighting the innovations and advantages offered by the SINDy algorithm in this field.
The third chapter details the methodological approach of the study. It outlines the sources from which Lagrangian sürüklenici data were obtained and step-by-step explains how these data were analyzed using the SINDy algorithm. Data were sourced from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Physical Oceanography Division (PhOD) web portal, accessible at https://www.aoml.noaa.gov/phod/gdp/realtime-data.php. The fundamental principles and application processes of the SINDy algorithm are examined under two different scenarios based on the use or omission of trigonometric terms. This section elaborates on the data analysis techniques and computational methods employed.
In the fourth chapter, findings from the analyses conducted are presented, and the suitability of the SINDy algorithm for modeling coastal hydrodynamics is discussed. The results indicate that the SINDy algorithm can accurately and rapidly determine regional coastal hydrodynamic equations without the need for complex modeling. These findings underscore the potential applications of the algorithm in modeling processes such as coastal erosion development, pollution dispersion, ship and boat drifts, among others. Additionally, practical applications of the SINDy algorithm, potential use cases, and future research opportunities are evaluated. In this context, it is suggested that the obtained data could also be utilized in situations such as ship accidents and rip current drownings.
This thesis demonstrates that the SINDy algorithm can be an effective tool for modeling ocean and coastal hydrodynamic processes. The findings of this study could contribute significantly not only to coastal and harbor engineering but also to various fields such as river hydrology. Future research should focus on testing this algorithm with larger datasets and under different hydrodynamic conditions to enhance modeling techniques and expand application areas.