Yer tabanlı uzaktan algılama sistemleri kullanılarak Akdeniz bölgesinde hortum hadiselerinin sinoptik analizi ve modellenmesi
Synoptic analysis and modeling of tornadoes events by using ground-based remote sensing systems in the Mediterranean region
Yazar: RAMAZAN ÖZGENÇ
Danışman: PROF. DR. ALİ DENİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Hortum hadiseleri, Amerika Birleşik Devletleri başta olmak üzere, Avrupa, Güney Afrika, Asya'nın güneyi, Japonya'dan Avustralya'ya kadar dünyanın birçok noktasında görülmektedir. Dünyada meteorolojik hadiseler içinde can ve mal kayıplarının en önemli nedenlerinden biridir. Dünyada olduğu gibi Türkiye'de de hortumlar ile birlikte kuvvetli fırtınalar, kuvvetli yağış ve dolu gibi meteorolojik hadiseler beraber görülmektedir. Türkiye'de hortum olaylarına ilişkin açık bir kaynak bulunmadığından, Türkiye'de gerçekleşen hortumların zamansal ve mekânsal analizi için Avrupa Şiddetli Hava Olayları Veritabanı (ESWD) içerisindeki 1818-2018 yılları arasında Türkiye'de gerçekleşen hortum olaylarına ilişkin kayıtlar kullanılmıştır. Bu Veritabanı gazete ve çeşitli gönüllü kaynaklarından aldığı veriyi 4 kategoride doğrulayarak yayınlamaktadır. Türkiye'de gerçekleşen hortum hadiselerine ilişkin veritabanında son yıllarda önemli bir artış meydana gelmiştir. 1818-2018 yılları arası 450 hortum hadisesinin 447'sı 1997 yılından sonra kaydedilmiştir. Bu durumun hortumun gerçekleştiği alanlarda artan nüfusla birlikte daha çok can ve mal kaybıyla medyada daha çok yer bulması verilerin toplanmasında kolaylaştırıcı bir rol oynamıştır.
Hortumlar, Türkiye'de deniz etkisinden dolayı daha çok denize kıyısı olan Akdeniz Karadeniz, Ege ve Marmara Bölgelerinde görülmesine karşın Doğu Anadolu'nun yüksek platolarında ve İç Anadolu'da seyrekte olsa görülmekte ve ciddi can ve mal kaybına sebep olmaktadır. Kasım-aralık arasındaki dönemde İzmir'den Antalya sahil bandına kadar uzanan kısımda ağırlıklı görülürken, temmuz-eylül arası ise yoğun bir şekilde Karadeniz sahil bandında gözlemlenmiştir. Karadeniz sahil bandında bu aylarda deniz suyu sıcaklığının diğer ayların 6 ºC ila 8 ºC üzerinde 22 ºC-24 ºC arasında seyretmesi nemli ve sıcak deniz havasının yükselici hava hareketlerini tetikleyerek daha yukarı enlemlerden gelen siklonların getirdiği soğuk hava ile birleştiğinde şiddetli konvektif fırtınaların oluşmasına katkı yapmaktadır. Aynı zamanda Doğu Anadolu'nun platolarında mayıs döneminde meydana gelen hortum hareketleri yüzeyin hızla ısınması ile eriyen karın ortamdaki nemi artması hortum hareketlerini arttırmaktadır (Bozkurt, 2011). Ayrıca Türkiye'de kasım-şubat arası soğuk dönemde çok sayıda Akdeniz siklonu Türkiye'nin Ege ve Akdeniz kıyılarını etkisi altına almaktadır. Bu siklonların beraberlerinde getirdikleri sıcak ve nemli Akdeniz havasını atmosferin üst seviyelerine taşıyarak burada mevcut bulunan soğuk hava ile teması kararsız atmosfer koşullarının oluşmasına katkı sağlayarak hortum, kuvvetli rüzgarlar, dolu, şiddetli sağanak ve sel gibi birçok meteorolojik olayların meydana gelmesine neden olmaktadır. Bu nedenle Türkiye'de hortumun meydana gelmesinde deniz etkisi, siklonlar ve topografya önemli katkı yapmaktadır.
Türkiye'de kayda geçen ilk hortum hadisesi 1818 yılında görülmüştür. İlk can kaybı ise İstanbul Büyükçekmece önce su üzerinde başlayan 2 kişinin ölümüne 14 kişinin yaralanmasına neden olan F2 şiddetindeki hortumdur. En ölümcül hortum hadisesi ise 1930 yılında Edirne'de 20 kişinin öldüğü ve şiddetinin bilinmediği hortum hadisesidir. 2018 yılı sonuna kadar çeşitli ölçeklerde meydana gelen hortum hadiselerinde 41 kişi ölmüş 114 kişi ise yaralanmıştır. 450 hortum hadisesinin %31,69 sonbahar, %26,33 kış, %22,54 ilkbahar, %19,64'ü ise yaz aylarında gerçekleşmiştir. Türkiye'de hortumlar en çok ocak, mayıs ve ekim aylarında görülürken en az nisan ve ağustos ayında görülmüştür. Hortumların önemli bir kısmı gün ışığın olduğu saatte oluşurken gece saatlerinde oluşan hortumlarda görülmüştür. Hortumlar en çok gün ışığının dik geldiği öğlen ve öğleden sonra 09:00-14:00 Eşgüdümlü Evrensel Zaman (UTC) saatleri arasında meydana gelmiştir. Hortumların en az görüldüğü saat dilimi ise 01:00 UTC olarak gerçekleşmiştir. Fujita ölçeğine göre F3 şiddetinde %1.29, F2 şiddetinde %13.55, F1 şiddetinde %62,58 ve F0 şiddetinde 22.58% oranlarında gerçekleşmiştir. Burada F0 şiddetindeki hortumlarının 3 tanesi hariç deniz üzerinde ve kıyıda gerçekleşmiştir. Bu durum mezosiklonik olmayan daha çok su yüzeyinde oluşan F0 şiddetindeki su hortumların olduğunu göstermektedir. Su hortumları sonbahar mevsiminde karada görülenlerin neredeyse iki katı oranında görülmüştür. Diğer mevsimlerde ise görülme sayıları neredeyse birbirine yakın gerçekleşmiştir. Ayrıca mayıs ve aralık ayları arasında kara hortumlarından çok daha fazla görülmüştür.
Türkiye'de en uzun yol giden hortum F1 şiddetinde ve 14 km mesafe katetmiştir. Türkiye'de hortumlar ağırlıklı olarak 3-4 km aralığında yol gitmiş ve 550 metre yol genişliğine ulaşan hortumlar görülmüştür. Ağırlıklı yol genişliği ise 150-200 metre olarak gerçekleşmiştir. Türkiye'de hortumların yaklaşık %81'inin güneyli yönlerden kuzeyli yönlere ilerledikleri tespit edilmiştir. Akdeniz Bölgesi hortum hareket yönlerinin bu oranın yükselmesine katkı yaptığı görülmüştür.
Bu çalışmanın ikinci bölümünde; Sayısal Hava Tahmin Modeli (WRF) V4.1.2 modeli için veri olarak Global Data Assimilation System (GDAS), 0.25° Final Analysis ve diğer çalışmalar için de ERA-5 verisetleri kullanılmıştır. İlk hadise için 13.11.2017 00 UTC'den 14.11.2017 00 UTC'ye kadar ve ikinci hadise için 17.01.2016 00 UTC'den 18.01.2016 00 UTC'ye kadar olan veriler modele tanıtılmıştır. Türkiye'nin Akdeniz Bölgesi'nde doğuda Antalya sınırı, kuzeyde Balıkesir'in güneyi, Afrika'nın kuzeyi ve Avrupa'nın güneyi Sicilya adasını içeren 9 km çözünürlüklü bir çalışma alanı ve batıda Bodrum ve doğuda Side'yi içine alan 3 km çözünürlüklü ikili yuva şeklinde çalışma alanı kullanılmıştır. Ayrıca Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) tarafından sunulan uydu ve radar görüntüleri incelenmiştir.
12.11.2017 tarihinde F3 şiddetinde gerçekleşen hortum hadisesinde; Sicilya ve Libya arasındaki bölgede oluşan Akdeniz siklonu 13.11.2017 tarihinde 16:50 UTC ve 19:00 UTC arasında yanlızca Antalya ilçelerinde 2 adet F1, 1 adet F2, 1 adet F3 ve maksimum 3 cm çapında dolu olayına neden olmuştur. Siklonun etkisiyle kasım ayı ortalamalarının üstünde 22.2 ºC seyreden deniz suyu sıcaklığı ile birlikte yüzeyde 35 knot değerine ulaşan kuvvetli güney doğulu rüzgarlar ile 300 hPa seviyesinde daha batılı yönlerden esen 85 knot değerindeki kuvvetli jet rüzgarların varlığı kuvvetli yükseltici hareketlerin oluşturarak yer seviyesindeki nemin atmosferin üst seviyelerine taşınımı sağlamış ve yer ve 500 hpa seviye arasındaki sıcaklık farkının 40 ºC üzerine çıkması çok kararsız atmosfer koşullarının oluşmasına katkı sağladığı görülmüştür Index tahminlerinde, hortum sırasında Finike üzerinde 18:00 UTC'de; Konvektif yeterlikli potansiyel enerji (CAPE) değerlerinin 1750-2000 Jkg-1 maksimum aralıkları olduğu bu değerler ile orta seviyeli kararsızlığın ve orta seviyeli ya da şiddetli oraj olma ihtimalinin olduğunu göstermiştir. 0-1 km rüzgâr kaymasının 12-14 ms-1 değeri, 0-6 km alizinde ise 30-32 ms-1 yüksek değerleri göstermiştir. Oraj nisbi sarmal (SRH) değerleri 0-1 km arasında 200-300 m2s-2 0-3 km 400-500 m2s-2 ile yüksek değerler göstermiştir. Enerji helicity indeks (EHI) değeri 0-1 km için 1.5-2 arasında ve 0-3 km EHI değerinin ise 5.5-6 arasında çok yüksek değeri göstermiştir. Hortum için kullanılan index değerleri, mezosiklon içeren F2+ üzerindeki hortum oluşma ihtimalinin yüksek olduğunu göstermiş ve WRF analizinin hortum şiddetinde iyi sonuçlar verdiği görülmüştür.
17.01.2016 tarihinde Antalya'nın Demre ilçesinde önce su yüzeyinde başlayan sonra kara üzerinde devam eden F1 şiddetindeki hortum analizinde ise; İlk hadise gibi 16.01.2016 tarihinde Sicilya üzerinde bulunan Orta Akdeniz siklonunun Akdeniz Bölgesi'ni etki altına almasıyla gerçekleştiği görülmüştür. Deniz yüzeyi sıcaklığının ocak ayı ortalamasının 1 ºC üzerinde 17.5 ºC arasında seyrettiği ve alçak basınc sisteminin siklonik hareketinin etkisiyle Akdeniz üzerinden 30 knot değerini bulan güneyli rüzgarların Akdeniz üzerinden nemli ve sıcak deniz havasını Demre üzerine getirerek, 850 ve 700 hPa seviyelerinde % 100'ü bulan nemin oluşmasına katkı sağlamıştır. Yer ve 500 hPa seviyeleri arasındaki sıcaklık farkı yaklaşık 44 ºC değerine ulaşarak kararsız atmosfer koşulların varlığına katkı yapmıştır. 300 hPa seviyesinde 110 knot değerlerini bulan güçlü jet maksimumlarının Akdeniz üzerinden gelerek Demre'nin üzerinden geçtiği görülmüştür.
Demre üzerinde; CAPE değerlerinin 460 Jkg-1 değerinin kış ayları için nispeten yüksek değerlerdir. 0-1 km rüzgâr kayması analizinde shear değerinin 4-6 ms-1, 0-6 km arasında ise 30-32 ms-1 değerleri ile yüksek değerler göstermiştir. SRH değerlerinin 0-1 km arasında 100-200 m2s-2, 0-3 km arasında ise 300-400 m2s-2 bulan yüksek değerler görülmüştür. EHI değerleri 0-1 km ve 0-3 km için 0.5-1 aralığında düşük değerler gösterdiği tespit edilmiştir.
Antalya radarı hortumun gerçekleştiği yerlere yakın olmasına rağmen yerden 965 metre yüksekte kurulu olması hortum hadiselerinin yaklaşık bu seviyeni altında gerçekleşmesi radarların ışın yüksekliği nedeniyle hortuma dair işaretler görülememiştir. Yanlızca 50 dBZ üzerinde reflektivite değerleri bulunan oraj hücrelerinin ve squall hattının varlığı görülmüştür. Meteosat İkinci Nesil (MSG) uydu görüntü analizinde ise ; F3 şiddetindeki hortum hadisesinde kızılötesi ve su buharı kanal görüntülerinde çok yüksek soğuk parlaklık değerleri yukarı yönlü hava akımlarının çok kuvvetli olduğunu göstermiştir. F1 şiddetindeki hortum hadisesinde ise -30 ºC civarında soğuk parlaklık değerleri görülmüştür. Kızıl ötesi kanal görüntülerinde hortum işaretlerinden olan kanat hattı bulutluluğu tespit edilememiştir. Hortum hadiselerinde Görünür ve HRV kanal görüntüleri uyduların karanlık dilime rastlamıştır.

Abstract:
Tornadoes incidents are seen in many parts of the world, especially in the USA, Europe, South Africa, South of Asia, Japan, and Australia. It is one of the most important causes of loss of life and property among meteorological events in the world. As in the world, meteorological events such as strong storms, heavy rain, and hail are seen together with the tornadoes in our country. In the absence of open-source records for the tornadoes incidents in Turkey, records relating to Tornadoes incidents in Turkey between the years 1818-2018 were taken from the European Severe Weather Events Database (ESWD) for temporal and spatial analysis of the occurred tornadoes in Turkey. This database verifies the data it receives from newspapers and various volunteer sources in 4 categories. In recent years, there is a significant increase in the database on the tornadoes incidents occurred in Turkey. 446 of 450 tornadoes events between 1818 and 2018 were recorded after 1997. This situation has played a facilitating role in collecting the data, with the increasing population in the areas where the tornadoes occurred, with more loss of life and property, and more media coverage.
Although the tornadoes are more likely to be seen in the Mediterranean coastline, It is also seen in the high plateau of Eastern Anatolia, Marmara, Central Anatolia and the Black Sea -including its district of coastline- in a small number causes a serious life and property loss in Turkey. In Turkey, tornadoes incidents mainly seen especially in areas with coastal marine. In the period between November and December, it is observed in the part extending from İzmir to Antalya coastline; while in the period between July and September, it was observed intensely on the Black Sea coastline. The increase of seawater temperature between 6 ºC and 8 ºC and becoming between 22 ºC-24 ºC in the Black Sea coast during these months, triggering rising air movements of humid hot sea air and contributing to violent convective movements when combined with cold air brought by cyclones from higher latitudes. At the same time, the tornadoes movements that took place in the plateaus of Eastern Anatolia in May, the thermal effect caused by the rapid heating of the surface, and the melting snow increases the humidity in the environment and thus increases the tornadoes movements. Also in the cold period from November to February, Turkey's Aegean and Mediterranean coasts are under the influence of Mediterranean cyclones. The encounter of the cold air brought by these cyclones from the upper levels of the atmosphere and the warmer sea surface contribute to the triggering of the rising air movements and the formation of many meteorological events such as tornadoes, strong winds, hail, heavy downpours and floods. Therefore, the occurrence of tornadoes events in Turkey is strongly related to sea effect, cyclones, thermal effect, and topography. In the first section titled "Temporal and spatial analysis of the tornadoes in Turkey"; The first tornadoes incident was seen in 1818, and the first loss of life is in Istanbul Büyükçekmece by the tornadoes at F2 strength which first started on the water and caused the death of 2 people and the injury of 14 people. The deadliest tornadoes were in 1930 in Edirne, in which 20 people died and the severity of it was unknown. Until 2019, 41 people died and 114 people were injured in tornadoes events that occurred at various scales. 31,69% of 450 tornadoes events occurred in autumn, 26,33% in winter, 22,54% in spring and 19,64% in summer. In Turkey, tornadoes have seen most in January, May, and October and least in April and August. While most of the tornadoes are formed at the time of daylight, there are also tornadoes formed at night. Tornadoes were mostly formed between 09:00-14:00 UTC in the noon and afternoon when the daylight came upright. The time zone in which the tornadoes were seen the least was 01:00 UTC. According to the Fujita scale, F3 was 1.29%, F2 was 13.55%, F1 was 62.58% and F0 was 22.58%. Here, except for 3 of the F0 tornadoes, it took place on the sea and the shore. This indicates that there are tornadoes at F0 strength that are non-mesocyclonic and mostly formed on the water surface. The longest path tornadoes in Turkey was 14 km and it was at F1 strength. Tornadoes in Turkey observed as covering a total distance of 3-4 km range and mainly reaching 550-meter road width. The weighted road width is 150-200 meters. Tornadoes started from the south and proceeded in the southwest or southeast direction.
In the temporal and spatial analysis of the tornadoes in the Mediterranean Region; In about half of the tornadoes took place in the Mediterranean region of Turkey, 35% of them also took place in the Antalya coastline. Between 2010 and 2018; 2017 was the year when the incident was the most common with 64 tornadoes occurred. Between these years, the number of water tornadoes was more than the number of land tornadoes. Water tornadoes were more common than land tornadoes in October, May, January, and December, respectively. April, July, and August were the months when water tornadoes were seen least. While water and land tornadoes are seen in very similar times, most commonly 09:00 UTC; They were realized in close numbers in each time zone with daylight predominantly between 05:00-17:00 UTC. In the Mediterranean region, 35.48% were on the F0 scale, 56.45% on the F1 scale, 13.63% on the F2 scale, and 1.61% on the F3 scale. The longest road a tornadoes proceeded in the region has progressed 12,4 km, took place on land, and recorded at the strength of F2 with the widest road width with 500 meters.
In the second part of this study; Global Data Assimilation System (GDAS), 0.25° Final Analysis and ERA-5 data set were used as data for the WRF V4.1.2 model. The data from 13.11.2017 00 UTC to 14.11.2017 00 UTC for the first event and from 17.01.2016 00 UTC to 18.01.2016 00 UTC for the second event were introduced to the model. 9 km resolution of domain area in the Mediterranean region of Turkey with Antalya's east boundary, south of Balikesir, north of Africa and south of Europe as the island of Sicily and two domains with 3 km resolution intertwined, covering Bodrum in the west and Side in the east were used. Also, tornadoes signs were searched for satellite and radar images taken from the General Directorate of Meteorology.
With the Mediterranean cyclone formed in the region between Sicily and Libya under the influence of the Mediterranean region on 13.11.2017, the strong effect of low pressure continued its effect on the region for about 2-2.5 hours. It caused hail, tornadoes, strong winds, and heavy rain events in many points of Antalya. With the effect of the cyclone, the seawater temperature, which was 22.2 ºC and above the average of November, provided strong moisture transfer over the Mediterranean with the southern winds and as a result, it contributed to the formation of relative humidity reaching 100% at 850 and 500 hPa levels. It has been observed that the difference between ground and the upper temperature is between 40 ºC, and there is a 65-knot difference between ground and upper-level winds, and the flow of jet winds of 85 knots with a level of 300 hPa contributes to the formation of unstable atmospheric conditions. In index estimates, during the tornadoes on Finike at 18:00 UTC; CAPE values showed a maximum range of 1750-2000 Jkg-1, showing that there is a medium level of instability and the potential to form a tornadoes with the possibility of moderate or severe thunderstorms. In the 0-1 km wind shear analysis, the shear value is 12-14 ms-1, and even exceeds the shear values seen between 0-6 km in Turkey by far, in the 0-6 km analysis, the presence of very high powered tornadoes such as 30-32 ms-1 on F2+, SRH values are found 200-300 m2s-2 between 0-1 km and to the north of it there are high values above 1000 m2s-2, The presence of high values of about 300 m2s-2 for 0-3 km indicated the presence of F2 + tornadoes. While EHI values are between 1.5-2 for 0-1 km, it is determined that it is between 2.5-3 in the west and north, and EHI values between 0-3 km are between 5.5-6. These values showed that the possibility of forming strong mesocyclone and tornadoes is high. The index values used for the tornadoes showed that the probability of forming tornadoes on F2+ containing mesocyclone was high and WRF analysis showed good results.
Although the Antalya radar is located at a distance of approximately 24 km from the Sahilkent neighborhood where the tornadoes take place, tornadoes marks were not seen because it was 965 meters above the ground and the tornadoes incident occurred under this height. However, the presence of multiple thrust cells acting together with reflectivity values over 53 dBZ were detected. In Msg satellite image analysis, infrared channel images and water vapor channel images; It is determined that the presence of deep moisture layer and deep cold thunderstorm clouds on Finike with cold high brightness values are present.
In the tornadoes event with the strength of F1 that started on the water surface in the Demre district of Antalya on 17.01.2016; It was observed that two low pressures on Sicily and Greece combined and affected the region. The sea surface temperature 17.5 ºC above the average of January with 1 ºC and with the effect of the cyclonic movement of low pressure, moist sea air of southern winds of 30 knots over the Mediterranean contributed to the formation of 100% humidity on Demre, at 850 and 700 hPa levels. The temperature difference between the ground and the 500 hPa levels was 44 degrees. While the southern winds dominate the ground and upper levels, the vertical wind difference is 75 knots and there is a strong jet flow at the value of 110 knots at the level of 300 hPa, thus contributed to the rise of high moisture content at the lower levels to the upper layers of the atmosphere.
On Demre; CAPE values of 460 J / kg are relatively high for the winter months. In the 0-1 km wind shear analysis, the shear values showed 4-6 ms-1 and between and 0-6 km showed high values with 30-32 ms-1. SRH values observed as 100-200 m2s-2 between 0-1 km and about 400 m2s-2 between 0-3 km. EHI values were determined to be in the range of 0.5-1 for both 0-1 km and 0-3 km. In radar images, there are reflectivity values over 50 dBZ that produce severe downpour and hail, as well as the presence of more than one thunderstorm cells. In satellite image analysis, infrared channel images have cold values of -30 ºC as well as white cold gloss values slightly above -35 ºC in water vapor channel images.