İklim değişikliğinin dalga parametreleri üzerine etkisi
The impact of climate change on wave parameters
Yazar: RECEP EMRE ÇAKMAK
Danışman: PROF. DR. ADEM AKPINAR
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Atmosfer modelleri = Atmospheric models ; Dalga iklimi = Wave climatology ; İklim değişikliği = Climate change ; İklim modelleri = Climate models

Özet:
Bu çalışmada, Karadeniz'in rüzgâr ve dalga iklimi üzerine iklim değişikliğinin etkisinin en kötümser senaryo (RCP8.5) dikkate alınarak, mevcut iklimi temsil edebilecek şekilde geliştirilen bir topluluk modeli ile irdelenmesi hedeflenmiştir. Bu hedefe ulaşmak için, öncelikle Karadeniz'i içeren yüksek mekânsal ve zamansal çözünürlüklü iklim modeli rüzgâr hızları sekiz farklı modelden (EURO-CORDEX) temin edilmiş ve bu rüzgarlar kullanılarak varsayılan ayarlamalı üçüncü nesil dalga tahmin modeli (SWAN) 1970-2005 tarihsel döneminde, 2006-2099 gelecek döneminde çalıştırılmıştır. Dalga iklimi simülasyonlarının performans analizi için tarihsel dönem kontrol veri setleri olarak ECMWF ERA5 yeniden analiz ve altimetre uydu gözlemleri kullanılmıştır. İlk olarak ERA5 yeniden analiz dalga tahminleri, Karadeniz'in farklı kıyılarındaki yerinde dalga ölçümlerine karşı doğrulanmıştır. Daha sonra, rüzgâr ve dalga iklimleri, ERA5 ile sunulurken, her bir topluluk üyesinin ERA5 verisine kıyasla normalleştirilmiş farkları hesaplanmıştır. Karadeniz'deki topluluk üyelerinin ortalama dalga parametrelerinin batı bölgesinde ERA5 ile uyumlu olduğu, doğu bölgesinde ise ortalama %25 oranında fazla tahmin edildiği görülmüştür. ERA5 belirgin dalga yükseklikleri, altimetre ve yerinde ölçümlere kıyasla düşük tahmin edildiğinden; özellikle doğu bölgesinde, topluluk üyelerinin ERA5 verilerine kıyasla doğruluğu makul bulunmuştur. Bu nedenle, sekiz topluluk üyelerinin tamamı ile topluluk modeli tanımlanmıştır. Bu topluluğun gelecek simülasyonları, başlıca dalga parametrelerinin (Hm0, Tm02, Pw) ve rüzgâr hızlarının (U10) ortalamalarındaki değişimleri göstermek için kullanılmıştır. Ortalama dalga ve rüzgâr karakteristiklerinde öngörülen değişimler, tarihsel ortalamalara (1970-1999) göreceli olarak gelecekteki (2040-2069 ve 2070-2099) ortalamaların karşılaştırılmasıyla belirlenmiştir. Buna ek olarak, belirgin dalga yüksekliği ve dalga enerji akısının (Pw) gelecekteki (2006-2099) öngörülen eğilimleri de analiz edilmiştir. U10 ve Hm0 ortalamaları havzanın doğu kesimlerinde -%10'a varan belirgin düşüşler göstermektedir. Hm0'ın 99. yüzdelik dilimdeki değerlerinin, ortalamalarından daha fazla değişeceği ve ağırlıklı olarak artış yönünde olacağı öngörülmektedir. Yıllık dalga enerji akısı ortalamalarındaki değişimler Hm0 ortalamalarındaki değişimlere benzerken, mevsimsel değişimlerin (-%15 azalma ve %12 artış aralığında) daha yüksek olması beklenmektedir. Yıllık Hm0 ortalamalarında -0,08 cm/yıl aşağı yönlü istatistiksel olarak anlamlı eğilimler öngörülmüş ve gelecek dönemde Pw'de -0,005 kWm-1/yıl düzeyinde aşağı yönlü anlamlı eğilimler bulunmuştur.

Abstract:
This study aims to investigate the impact of climate change on the wind and wave climate of the Black Sea by considering the high-emission scenario (RCP8.5) with an ensemble developed to represent the present climate. Initially, high spatial and temporal resolution climate model wind speeds containing the Black Sea were obtained from eight models (EURO-CORDEX) to achieve this goal. The third-generation wave prediction model (SWAN) with default settings was run using these winds for the historical period 1970-2005 and the future period 2006-2099. The performance analysis of the wave climate simulations was performed using ECMWF ERA5 reanalysis and altimeter satellite observations as historical period control datasets. First, the ERA5 reanalysis wave hindcasts are validated against in-situ wave measurements at different coasts of the Black Sea. Then, the normalized differences of each ensemble member against ERA5 data were computed to compare the wind and wave climates with ERA5. It was found that the mean wave parameters of the ensemble members in the Black Sea were in agreement with ERA5 in the western region. In contrast, they were overestimated by 25% on average in the eastern part. Since ERA5 significant wave heights are underestimated compared to the altimeter and in-situ measurements, the accuracy of ensemble members compared to ERA5 data was found to be reasonable, especially in the eastern region. Therefore, the ensemble model was defined with all eight ensemble members. The future simulations of this ensemble were used to show the changes in the averages of the main wave parameters (Hm0, Tm02, Pw) and wind speeds (U10). The projected changes in the mean wave and wind characteristics are determined by comparing future (2040-2069 & 2070-2099) averages relative to historical averages (1970-1999). In addition, the projected trends of significant wave height and wave energy flux (Pw) are analyzed over the future (2006-2099). U10 and Hm0 means show significant decreases up to -10% in the eastern parts of the basin. The 99th percentiles of Hm0 are projected to change more than their means and tend to increase. While the changes in the annual Pw means are similar to the changes in the Hm0 means, the seasonal changes (in the range of -15% decrease and 12% increase) are expected to be higher. Downward significant trends in the annual Hm0 means were projected with a slope of -0.08 cm/year, and downward trends in Pw were found at the level of -0.005 kWm-1/year during the future period.