Türkiye'de iklim değişikliğinin yağış-sıcaklığa etkisi ve kuraklık analizi: Akarcay örneği
Climate change impact on precipitation-temperature in Turkey and drought analysis: Akarcay case study
Yazar: İSMAİL DABANLI
Danışman: PROF. DR. ZEKAİ ŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışma iklim değişikliğinin Akarçay havzasındaki yağış ve sıcaklığa etkisinin ve de Türkiye genelinde kuraklığın değerlendirilmesini kapsamaktadır. Tezin uygulama kısımları üç ana bölümden ibarettir. İlk bölüm istatistik alt ölçekleme, iklim modelinin kurulumu ve iklim değişkenlerinin (yağış ve sıcaklık) gelecek tahmini ile ilgilidir. Geliştirilmek suretiyle Su Vakfı tarafından sunulan istatistik alt ölçekleme modeli, aylık toplam yağış ve ortalama sıcaklık verilerinin tahmini için kullanılmıştır. Modelinin alan değişkenliği Bölgesel Bağımlılık Fonksiyonu (BBF) ile zaman değişkenliği de Beyaz Markov Süreçleri (BMS) ile kontrol edilmektedir. BBF süreci, Küresel Dolaşım Modeli (KDM) senaryolarının alan değişkenliğini, BMS süreci de zaman değişkenliğini ayarlanmasında kullanılmıştır. İklim değişikliğinin yağışlar ve sıcaklıklar üzerindeki etkisi Max-Plank Meteoroloji Enstitüsü (EH40PYC) ve Hadley Merkezi (HadCM3) modellerine ait SRES A2 ve B2 senaryoları kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre Akarçay havzasında yağışların ortalama değeri değişmemekle birlikte, aşırı yağışların artacağı; sıcaklıklarda ise yıllık ortalama sıcaklıkların %(0.3–0.4) arasında bir artış göstereceği sonucuna varılmıştır. Elde edilen tahmin verileri model geçerliliğini ortaya koymak için sınanmıştır. Alt ölçekleme modeli Nash-Sutcliffe verimliliği (Nash-Sutcliffe Efficiency-NSE) Yüzde Eğilim (Percent Bias-PBIAS) ve Standart Sapma Oranı (Standart Deviation Ratio-SDR) sınamalarına göre "Çok İyi" seviyesinde 2011–2100 arasında yağış ve sıcaklık tahminleri üretmiştir. Elde edilen sonuçlara göre EH40PYC ve HadCM3 (A2 ve B2) senaryoları yardımıyla elde edilen tahmin verilerinin ortalama ve standart sapma değerlerinin hata oranı %5'in altında kalmıştır.
İkinci uygulama bölümünün ana konusunu kapsamlı trend (gidiş) analizleri oluşturmaktadır. Bu bölümün temel hedeflerinden ilki Akarçay havzasında gözlem ve model tahmin verileri üzerinde trend analizi yapmaktır. İkinci hedef ise İnovatif-Şen ve diğer klasik trend analizi yöntemleri arasındaki farkı ortaya koymaktır. Ayrıca bu çalışma kapsamında ilk defa İnovatif-Şen yöntemi üzerine ±5% ve ±10% trend zarf eğrileri ilave edilmiştir. İnovatif-Şen yönteminin diğer klasik yöntemlere göre üstünlüğü elde edilen sonuçlarla ispat edilmiştir. İnovatif-Şen yönteminin başka alanlara ve değişik verilere de kolaylıkla uygulanabilirliğini göstermek amacıyla ayrıntılı trend analizi sonuçları elde etmek için Ergene havzasında akım, yağış, sıcaklık ve nisbi nem verileri için de uygulama yapılmıştır. Tüm trend analizleri neticesinde aşırı yağışlar ile bütün sıcaklık değerlerinin değişik oranlarda artan trende sahip oldukları ortak sonucuna ulaşılmıştır.
Tez çalışmasının son uygulama bölümü Türkiye genelinde kuraklığın alan ve zaman değişkenliklerinin değerlendirilmesini içermektedir. Bu değişkenlikler Türkiye'deki oldukça üniform olarak dağılmış 250 istasyonun 1931–2010 yılları arasındaki 80 yıllık kayıtları kullanılarak değerlendirilmiştir. Kuraklık analizinde standart yağış göstergesinin (Standardized Precipitation Index-SPI) farklı zaman ölçeklerindeki serileri (SPI-1, SPI-3, SPI-6, SPI-6NE (SPI-6 Nisan-Eylül) ve SPI-12) kullanılmıştır. Asal bileşen çözümlemesinde (Principle Component Analysis-PCA) kuraklığın alan değişkenliğini ortaya koymak için SPI serileri kullanılmıştır. SPI serilerinin Türkiye üzerindeki korelasyon (>%50) haritalarının benzerliğinden istifade edilerek, beş SPI serisi temel alınarak iki gruba (İlk grup: SPI-1, SPI-3, SPI-6NE; İkinci grup: SPI-6 ve SPI-12) ayrılmıştır. Aynı sonucu verecek işlemlerin tekrarından kaçınmak için her bir SPI serisi yerine, her gruptan birer adet temsilci SPI serisi belirlenmiştir. SPI-3 ve SPI-12 mevsimlik ve yıllık kuraklık karakterlerini ortaya koymak için her gruptan temsilci olarak seçilmişlerdir. Dört farklı (F1, F2, F3 ve F4) homojen kuraklık alanları mevsimlik ve yıllık ölçeklerde Türkiye üzerinde belirlenmiştir. Kuraklığın tekerrür süreleri ise PCA analiz sonuçlarının hızlı Fourier dönüşümü (Fast Fourier Transform-FFT) işlemine tabi tutulmasıyla elde edilmiştir. Mevsimlik ve yıllık kuraklık alanlarının her biri için biri uzun diğeri de kısa dönem süresi olmak üzere ikişer adet tekerrür süresi belirlenmiştir. Yapılan analiz sonucunda varyans puanının %10'dan büyük olan yüklemelerin (F1 ve F2) daha kararlı oldukları; küçük olan yüklemelerin (F3 ve F4) kararsız yüklemeler olduğu ve temsil ettikleri korelasyon alanlarının da aynı şekilde kararsız oldukları ortaya çıkmıştır. Bu sonuçlara göre, PCA hesaplamaları sonucunda seçilecek yüklemelerin sayısı sadece toplam açıklanan varyans ile değil, aynı zamanda korelasyon yüzdesi ve yüklemelerin analiz yapılan bölge üzerinde kapladığı alanın dikkate alınması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
This study aims to provide a comprehensive assessment of climate change impacts on precipitation and temperature in the Akarcay basin and so drought assessment over whole Turkey mainland. The application contents of the thesis consist three basic chapters. The first chapter is related to statistical downscaling climate model setup and future predictions of climate variables (precipitation and temperature). The statistical climate downscaling model suggested by the Turkish Water Foundation (TWF) is further developed and applied to predict monthly precipitations and temperatures. The spatial variability of the model is controlled by the Regional Dependence Function (RDF) and temporal variability of the model is controlled by Markov Whitening Process (MWP). The RDF is implemented for the spatial pattern and the Markov Whitening Process (MWP) for temporal downscaling of Global Circulation Model (GCM) scenarios. The impacts of climate change on monthly precipitation and temperature are studied by SRES A2 and B2 emission scenarios, which are downloaded from Max Plank Institute (EH40PYC) and Hadley Center (HadCM3). The prediction results indicate that mean monthly precipitations may not change in future, however, extreme precipitation may increase. Temperature predictions revealed that mean annual temperatures have been increasing in (0.3–0.4) % percent per year. Future precipitation and temperature predictions are tested for validation. The downscaling model has reasonably acceptable skill in highly accurate precipitation and temperature estimation from 2011 to 2100 with regard to standard deviation ratio (SDR), Nash–Sutcliffe efficiency (NSE) and percent bias (PBIAS) criteria. The future prediction variables' mean and standard deviation estimations for EH40PYC and HadCM3 (A2 and B2) scenarios yield less than 5% error.
The comprehensive trend analysis is the main subject of the second application chapter. The main purposes of this chapter are to provide trend analysis on both observation and prediction variables in Akarcay basin to identify the comparison between the Innovative-Şen and classical trend analyses. Additionally, trend envelope lines at ±5% and ±10% levels are suggested for the first time on the innovative trend template. The superiority of Innovative-Şen method on other classical trend tests is supported by outputs of analysis. Moreover, Innovative-Şen trend methodology is implemented on surface flow (runoff), precipitation, temperature and relative humidity records in Ergene Basin in order to obtain detailed trend information and illustrate model practicability in any area easily. The common outputs of these trend analyses are that temperature and extreme precipitation values in increasing trend manners at different ratios.
Finally, the last application chapter of the thesis consists of spatial and temporal drought assessment over whole Turkey mainland. The spatial and temporal variability of droughts is presented by evaluating homogeneously distributed 250 meteorology station records from 1931 to 2010 for 80 years' duration. The drought analysis is implemented by using the Standardized Precipitation Index (SPI) in terms of SPI-1, SPI-3, SPI-6, SPI-6AS (SPI-6 April to September) and SPI-12. The principle component analysis (PCA) is used to identify a spatial pattern of droughts by applying SPI series. These five SPI series are classified into two groups (First: SPI-1, SPI-3, SPI-6 and; Second: SPI-6 and SPI-12) due to their similar spatial correlation (>50%) pattern on Turkey. In order to avoid repetition of obtaining same results by analyzing both SPI series; one representative SPI member is determined. SPI-3 and SPI-12 are selected as a representative member of each group for investigating seasonal and annual drought patterns. Four different well-defined homogeneous regions (F1, F2, F3, and F4) are determined by using seasonal and annual SPI series over Turkey mainland to illustrate vulnerable drought areas. Spectral drought characteristics are generated using PCA loadings with their incorporation with the fast Fourier transform (FFT) method. Seasonal and annual return cycles (long and short term) are identified individually for each homogeneous region. The outputs of the study reveal that while, F1 and F2 regions are more stable due to the highly correlated variances of spatial patterns; F3 and F4 are less stable regions, because of the low correlated variance scores (below 10%). These results indicate that a number of PCA loadings are dependent on not only the total explained variance but spatially correlated areas and correlation levels.