Ankara ve Eskişehir illerinde insansız hava aracı uçuşlarından elde edilen meteorolojik ölçümlerin WRF modeli sonuçlarıyla karşılaştırılması
Comparison of meteorological measurements obtained from unmanned aerial vehicle flights in Ankara and Eskişehir with WRF model results
Yazar: RUKİYE AYBÜKE AYDEMİR
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Ankara = Ankara ; Eskişehir = Eskişehir ; Havacılık = Aviation ; Meteorolojik parametreler = Meteorological parameters ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Havacılık ülke ekonomisinin büyük bir kısmını oluşturan turizm için önemine ek olarak yıldan yıla ve savunma sanayi için de önemli bir sektör haline gelmektedir. Dünya'da savunma sanayi alanındaki gelişmeler ile birlikte ülkemizde de bu alanda önemli adımlar atılmaktadır. Havacılık sektörüne olan ilginin sivil ve askeri alanlarda artan trendi ile birlikte hava tahminleri de son derece kritik bir öneme sahip olmaktadır. 
Havacılık meteorolojisi, meteorolojinin uçuş emniyetini arttırmak amacıyla havacılık sektörünün ihtiyaçları doğrultusunda gözlem ve tahmin yapan dalıdır. Havacılık meteorolojisi alanında yapılan gözlem ve tahminler ile ülkemizde sivil ve askeri tüm uçuşlara meteorolojik bilgiler sağlamaktadır. Bir uçuşun emniyetli bir şekilde gerçekleşmesi için kalkış ve iniş meydanlarındaki meteorolojik koşulların bilinmesi gerekmektedir. Seyrüsefer uçuşlarında rota boyunca bulut taban ve tavan yükseklikleri, bulut tepe yüksekliği, buzlanma, türbülans tahminlerinin ve uçuşu olumsuz etkileyebilecek şiddetli meteorolojik hadise tahminlerinin dikkate alınması gerekmektedir. 
Savunma sanayi şirketlerinde gerçekleştirilen uçuş ve test faaliyetleri için METAR ve TAF raporları resmi bir kaynak niteliğindedir. Meydan raporlarına ek olarak irtifadaki sıcaklık, rüzgâr, türbülans ve buzlanma bilgileri de uçuş gereklilikleri kapsamında son derece önemlidir. Alınan meteorolojik bilgiler ışığında uçuş ve test faaliyetlerinin iptal kararları verilmektedir. Meteorolojik tahminlere uçuş ve test faaliyetlerinde duyulan ihtiyaç aynı zamanda takvim planlamaları için de önem arz etmektedir. Hava araçları sertifikasyon süreçlerinde farklı meydanlarda ve farklı irtifalarda birtakım testler yapmak durumundadır. Hava araçlarının farklı lokasyonlarda ihtiyaç duyduğu meteorolojik bilgiler geniş bir yelpazede değerlendirilmektedir.
Hava araçları kullanım amaçları doğrultusunda farklı tasarımlar ile üretilmektedir. Döner kanat hav araçları VFR uçuş olarak adlandırılan görerek uçuş şartlarına göre uçuş gerçekleştirmektedir. Sabit kanat hava araçları, hava aracı ve meydan kabiliyetlerine göre aletli yaklaşma olarak adlandırılan ILS yaklaşma yapabilmektedir. İnsansız hava araçları da düşük görüş mesafesinde kalkış ve iniş gerçekleştirme kabiliyetine sahiptir. Son yıllarda kullanımları artan insansız hava araçları havada daha uzun kalma süreleri olması ve meteorolojik limitlerinin yolcu uçaklarından hassas olması sebebiyle daha hassas ve tutarlı meteorolojik tahminlere ihtiyaç duymaktadır. 
Atmosferde buzlanmaya sebep olan şartlar insansız hava araçlarını olumsuz etkileyen meteorolojik hadiselerdir. Havada asılı şekilde bulunan sıvı su taneciklerinin hava aracı yüzeyine tutunması ile birlikte sıvı haldeki tanecik donarak katı hale geçmekte ve hava aracı yüzeyine yapışmaktadır. Buzlanma hadisesi dış hava sıcaklığına bağlı olmakla birlikte hava aracı yüzey sıcaklığı, tanecik boyutları ve hava aracı yüzey özellikleri gibi farklı etkenler sebebiyle de meydana gelebilmektedir.
 Buzlanma hadisesi uçağın farklı yüzeylerinde meydana gelebilmekte olup uçuş performansını olumsuz etkilemektedir. Uçuş gerçekleştirilen bölgeler topoğrafya özelliklerine bağlı olarak meteorolojik hadiselere ortam sağlayabilmektedir. Meydan civarındaki dağlık alanlar, denize olan yakınlık, arazi tipleri, su kaynakları ve yerleşim yerine olan uzaklık gibi pek çok parametre meydandaki hava durumunu etkileyebilmektedir. Görüş düşürücü hadiseler olan sis ve pus hadiseleri insansız hava aracı için önemli meteorolojik hadiselerdir. Görüş düşürücü hadiselerde kalkış yeteneğine sahip olan insansız hava araçları kalkış aşamasında ve iniş aşamasında pisti görmek amacıyla görüş mesafesini takip etmektedir. Görüş düşürücü hadiseler yere yakın seviyede stratüs bulutundan oluşması sebebiyle donma seviyesinin altındaki sıcaklıklarda buzlanma açısından da risk teşkil etmektedir. Uçuş ve test faaliyetleri uçuşu etkileyecek meteorolojik hadiseler olmasa bile hava durumundan olumsuz etkilenebilmektedir. Uçuş ve test faaliyetlerinin isterlerine uygun olmayan meteorolojik koşullarda da uçuş faaliyetleri iptal edilmektedir. Kapsamlı meteorolojik taleplerin gerekli olduğu uçuş ve test faaliyetleri için meteorolojik tahminlerin yer seviyesinde ve uçuş seviyesinde tutarlı bir şekilde sıcaklık, rüzgâr, bulutluluk, buzlanma ve türbülans bilgilerini oluşturması gerekmektedir.
WRF modeli hava tahminlerinde sıkça kullanılan bir araç olmakla birlikte buzlanma ile ilgili doğrudan bir sonuç vermemektedir. Model yer seviyesinin 1 metre altından 0.01 hPa seviyesine kadar izobarik koordinatlarda çalışmaktadır. Model girdi verisi olarak GFS verisi kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında WRF modeli 9 km ve 3 km olmak üzere iki farklı çözünürlükte çalıştırılmıştır. Bu tez kapsamında uçuş esnasında insansız hava araçlarından alınan meteorolojik ölçümlerin sayısal hava tahmin modeli sonuçları ile karşılaştırılması yapılmıştır. Bu tez çalışmasında Ankara ve Eskişehir illerinde gerçekleşen uçuşlar için 2017, 2020 ve 2022 yılı uçuş verileri incelenmiştir. İnsansız hava araçlarından alınan bilgiler enlem, boylam, dış hava sıcaklığı, rüzgâr şiddeti ve yönü ölçümlerini içermektedir. Ankara'da gerçekleşen ilk uçuşta buzlanma ikazı alınmış, ikinci uçuşta ise test faaliyetlerini olumsuz etkileyen kuvvetli rüzgâr hadisesi ile karşılaşılmıştır. Eskişehir'de gerçekleşen uçuşta ise iniş ve kalkış aşamasında önem arz eden sis hadisesi ile karşılaşılmıştır. Uçuşlardan alınan meteorolojik verileri WRF modeli ile kıyaslamak amacıyla tahmin verileri uçuş süresi boyunca saatlik olarak görselleştirilmiştir. Görselleştirme için NCL kullanılarak Skew-T diyagramları, zaman serileri ve farklı irtifalara ait haritalar çizdirilmiştir. İnsansız hava araçları farklı irtifalarda uçuş gerçekleştirmesi ve uçuş sürelerinin uzun olması sayesinde tez kapsamında WRF model sonuçlarının farklı zaman adımlarında incelenmesine fırsat sağlamaktadır. İnsansız hava aracı uçuş ve test faaliyetlerinden alınan meteorolojik verilerin WRF model sonuçları ile kıyaslanmasının önemi insansız hava araçları için meteorolojinin önemini vurgulamak, hava aracı gereksinimlerini ortaya koymak ve model sonuçlarının uzun süreli kıyaslamasını yapabilmektir.

Abstract:
The importance of the aviation sector for the tourism sector, which constitutes a large part of the country's economy, is increasing every year. Aviation-related developments are also becoming an important sector for the defense industry. With the development of the world defense industry, our country is taking important steps in the field of defense industry. As the importance of civil and military aviation in aviation increases, the importance of weather forecasts also increases.
Metars, Tafs, Sigmet, Airmet and Gamet reports whose standards are determined by ICAO are sources that provide information about meteorological observations and forecasts. Flight plans are prepared to ensure flight safety as a result of aircraft limitations and the information obtained from these reports. METAR and TAF reports are the official source for flight and test activities carried out by defense industry companies. In addition to airport reports, information such as temperature, wind, turbulence and icing at altitude are extremely important for flight. Flight and test activities are canceled or postponed according to the received weather information. The need for weather forecasts during flight and test activities is also important for calendar planning. During the certification process, the aircraft has to pass some tests at different airports and at different altitudes. The meteorological information required by the aircraft in different locations is evaluated in a wide range. 
Aviation meteorology is a branch of aviation related meteorology that makes observations and forecasts according to the needs of the aviation industry to improve flight safety. Observations and forecasts in aviation meteorology provide meteorological information for all civil and military flights in my country. Consistent forecasting of meteorological conditions at departure and arrival airports ensures a safe flight. Forecasts of cloud base and cloud top heights, icing and turbulence along the flight route are also required for flight. Field warnings are issued for severe meteorological events that may adversely affect operations. Airplanes are produced in different designs according to their intended use. Fixed-wing aircraft may perform ILS approaches, known as instrument approaches, depending on the capabilities of the aircraft and the airport. Helicopter flights are performed in visual flight rules known as VFR flights. Unmanned aerial vehicles can take off and land in low visibility conditions. The increasing use of unmanned aerial vehicles in recent years requires more accurate and consistent weather forecasts because they stay in the air longer and air limits are more sensitive than passenger aircraft.
Icing in the atmosphere is a meteorological phenomenon that can negatively affect unmanned aerial vehicles both at ground level and at altitude. Although icing events depend on the outside air temperature, icing events can also occur due to different factors such as aircraft surface temperature, particle size and aircraft surface properties. Liquid water particles suspended in the air become solid by clinging to the surface of the aircraft, and after freezing, they adhere to the surface of the aircraft. Icing can occur on different surfaces of the aircraft such as wings and engines and adversely affects flight performance. Anti-ice and de-ice processes can be applied to prevent icing.
Meteorological events vary depending on the topographic characteristics of the flight area. The weather in the region where the flight takes place is affected by many parameters such as the mountainous areas around, proximity to the sea, land types, water resources and distance to the settlement. Fog and haze, which are events that reduce visibility, are also important meteorological events for unmanned aerial vehicles. Unmanned aerial vehicles, which have the ability to take off in visibility-impairing events, follow the visibility distance in order to see the runway and land during the take-off phase and landing phase. Fog events at temperatures below freezing also pose a risk in terms of icing. 
Situations where the horizontal visibility is less than 1 km are called fog events. UAV flights are carried out at many airports in our country. Runway terrain also affects fog conditions. Many parameters such as mountainous terrain around the site, water resources and distance to settlements affect the fog situation. Visibility must be greater than 5 km for VFR flight conditions. A frozen fog event is a weather event that occurs at temperatures below 0°C and causes icing. Freezing fog is a phenomenon where the temperature changes from 0°C to -10°C and large volumes of supercooled water droplets are produced. Unmanned aerial vehicles have the ability to fly in fog. However, when the fog freezes, icing interrupts flight as the planes start close to the ground.
Winds are one of the meteorological parameters that affect aircraft during landing and takeoff. Wind strength and wind direction are also important meteorological parameters. The runways at the airports are located in the direction of the prevailing wind by determining the long-term prevailing wind directions. However, the winds do not always blow in the direction of the prevailing wind. Winds can change direction during the day by being exposed to topographical effects, as well as change direction by being affected by different pressure systems. Each aircraft has head, tail or crosswind limits. Flight plans are made in a way that ensures flight safety in line with the expected wind speed. Landing or take-off of an aircraft in case of an out-of-limit wind speed may result in an accident. Unmanned aerial vehicles are aircraft that are affected by wind speed and wind gust. 
Flight and test activities can be adversely affected not only by meteorological events, but also by not providing the necessary meteorological conditions. Flight activities are also canceled in meteorological conditions that do not comply with the requirements of flight and test activities. Meteorological forecasts for flight and test activities need to be made comprehensively, and consistent temperature, wind, cloudiness, icing and turbulence information is needed from ground level to flight level. 
Within the scope of the thesis, the WRF weather forecast model was compared with the meteorological measurements taken from unmanned aerial vehicles during the flight.  The WRF-ARW model can be operated with different physics schemes to make analyzes. It works in isobaric coordinates from 1 meter below ground level to 0.01 hPa level in the model. GFS data was used as model input data. In the thesis study, the WRF model was run at two different resolutions, 9 km and 3 km. The WRF model was run as two domains for Ankara and Eskişehir. The first domain for Ankara covers Turkey, while the internal domain covers Ankara. The first domain for Eskişehir covers Turkey, while the inner domain covers the Sivrihisar region.
The icing warning was received on a flight in Ankara in February 2022. To predict the icing event with the WRF model, the WRF model was first run with the WSM5 microphysics scheme and the Kain-Fritsch cumulus scheme. Secondly, the WRF model was run with the WSM6 microphysics scheme and the Kain-Fritsch cumulus scheme. Finally, it was run with Thompson physics diagram and Kain-Fritsch cumulus diagram. Extreme wind measurements at altitude were taken on a flight in Ankara in May 2020. In order to predict the strong wind event with the WRF model, the WRF model was first run with the Thompson physics diagram and the Kain-Fritsch cumulus diagram. YSU scheme was used as the boundary layer condition. Secondly, model was operated with Thompson physics diagram and Kain-Fritsch cumulus diagram. The MYJ scheme was used as the boundary layer condition. The fog event was taken on a flight in Sivrihisar in November 2017. In order to predict the fog event with the WRF model, the WRF model was first run with the Thompson physics diagram and the Kain-Fritsch cumulus diagram. YSU scheme was used as the boundary layer condition. Secondly, model was operated with Thompson physics diagram and Kain-Fritsch cumulus diagram. The MYJ scheme was used as the boundary layer condition.
It was obtained that the temperature and dew point temperatures for the day on which the icing warning was received were close to 4 km above ground level and the liquid water content was higher at the same altitudes. When the vertical wind changes are examined from the Skew-T diagram on the day with strong wind, it is estimated that wind shear occurs and an advection is observed at the level of 850 hPa, where the hot air is replaced by the cold air. Considering the relative humidity values close to the ground for the fog event, the relative humidity above 70%, as well as the high pressure and calm wind conditions, which are the necessary conditions for the fog, are the results obtained in the model.
In the thesis study, the WRF model results are examined in different time steps, with the unmanned aerial vehicles flying at different altitudes and the long flight times. It is extremely important to compare the meteorological data obtained from unmanned aerial vehicle flight and test activities with the WRF model results. The purpose of the comparisons is to emphasize the importance of meteorology for unmanned aerial vehicles, to reveal aircraft requirements and to make long-term comparisons of model results.