Atmosferik koşullar yardımıyla kar yağışı ile yağmuru ayıran kritik sıcaklığın Türkiye genelinde belirlenmesi
Determination of the critical temperature separating snow and rain across Turkey with the help of atmospheric conditions
Yazar: EVREN ÖZGÜR
Danışman: PROF. DR. KASIM KOÇAK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Meteoroloji = Meteorology
Dizin: Kar yağışı = Snow ; Meteoroloji = Meteorology ; Sıcaklık = Temperature ; Yağmur = Rain

Özet:
Son yıllarda etkisini iyice hissettiren küresel iklim değişikliği ve sıcaklık artışı, insan yaşamını birçok alanda etkilemektedir. Bu etkilerin başında şiddetli yağışlar sonucunda meydana gelen taşkın olayları ve şiddetli kuraklıklar yer almaktadır. Ülkemizin de içinde bulunduğu Akdeniz Havzası, küresel iklim değişikliğinin olumsuz etkilerine en fazla maruz kalması beklenen bölgelerin başında gelmektedir. Sıcaklık artışının, ülkemizin de içinde bulunduğu orta enlemlerde meydana gelen yağışların türü üzerinde de etkili olması beklenmektedir. Son yıllarda ülkemizde yapılan çalışmalar sonucunda özellikle Doğu Anadolu Bölgesi başta olmak üzere, birçok bölgede kar yağışlı gün sayısının toplam yağışlı gün sayısına oranında anlamlı derecede azalışlar olduğu görülmüştür. Bu değişimin de sıcaklık artışı ile doğrudan ilişkili olduğu ortaya çıkarılmıştır. Önceki çalışmalardan elde edilen sonuçlar doğrultusunda, kar yağışı ve yağmur ile ilgili daha detaylı çalışmalar yapma zorunluğu doğmuştur.
Kritik sıcaklık kavramı, kar yağışı ile yağmurun eşit olasılıkta gerçekleştiği sıcaklık olarak tanımlanmaktadır. Bir başka deyişle, iki yağış türünün de oluşma olasılığının %50 olduğu sıcaklık değeri kritik sıcaklık olarak adlandırılır. Kritik sıcaklık değerinin tarihsel gelişimi incelendiğinde, önceki yıllarda kritik sıcaklık olarak sabit bir eşik sıcaklık değeri kullanıldığı görülmektedir. İlerleyen yıllarda ise, dünya genelinde farklı yaklaşımlarla kritik sıcaklık değeri tespitleri yapılmıştır.
Dünya genelinde kritik sıcaklık ile ilgili yapılan çalışmalarda çoğunlukla yağışın türünü etkileyen en önemli faktör olan hava sıcaklığının üzerinde durulmuştur. Bunun yanı sıra; bağıl nem, ıslak hazne sıcaklığı, hava basıncı ve yere yakın seviyede yer alan enversiyon gibi etkenlerin de yağış türü üzerinde etkisi olduğu çeşitli çalışmalar sonucunda ortaya koyulmuştur.
Bu çalışmanın amacı; Türkiye genelinde kar yağışı ile yağmuru ayıran kritik sıcaklık değerlerinin ortaya çıkarılması, kritik sıcaklıklarda zamansal ve alansal olarak herhangi bir değişimin olup olmadığını ortaya konması ve kritik sıcaklıkları etkileyen değişkenlerin belirlenmesidir.            
Çalışma kapsamında kritik sıcaklık değerleri hem hava sıcaklığı, hem de çiy noktası sıcaklığı için tespit edilmiştir. Çalışmada kullanılan veriler Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilmiştir. Talep edilen veriler sinoptik gözlem yapan istasyonlara ait yağış devam saatleri (yağışın türü, başlangıç ve bitiş saatleri), saatlik hava sıcaklığı ve saatlik bağıl nem verileridir. Kullanılan veri periyodu, hava sıcaklığı için 1997-2016, çiy noktası sıcaklığı için 2007-2016 yılları arasını kapsamaktadır.
Kar yağışı ile yağmuru ayıracak olan sıcaklıklar hesaplanacağı için, hem kar yağışı hem de yağmurun birlikte gerçekleştiği kış mevsimi dikkate alınmıştır. Çalışmada yağış türleri olarak kar, kar sağanağı, yağmur ve yağmur sağanağı kullanılmıştır. Tüm istasyonlar için değerlendirildiğinde, 8 farklı kış periyodu olduğu tespit edilmiştir.   
Çalışmada ilk olarak, Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden temin edilen yağış devam saatleri istasyon bazında yağış türüne göre ayrılmıştır. Yağışın başladığı ana ait sıcaklık verileri kullanılacağı için, elde yer alan saatlik sıcaklık değerleri kullanılarak interpolasyon yapılmıştır. İnterpolasyon gerçekleştirebilmek için de, yağışın başlama saatinin tam saatini de içerek şekilde 5 ardışık saatteki sıcaklık değerlerini bir araya getiren bir makro oluşturulmuştur. Bu makro sonucunda yağış devam saatleri bilgileri ile 5 ardışık saatteki sıcaklık değerleri aynı dosyada birleştirilmiştir. Daha sonra yağışın tam olarak başladığı zamandaki sıcaklık değerleri, FORTRAN yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen interpolasyon ile tespit edilmiştir. Bulunan bu sıcaklık değerleri de, yağışın türüne göre (kar ve yağmur) ayrılmıştır. Çiy noktası sıcaklığı ayrımı için interpolasyon prosedürünün aynısı bağıl nem değerlerini bulmak için de uygulanmıştır.
Yağış türüne göre (kar ve yağmur) yağışın başlangıcındaki sıcaklık ve bağıl nem değerleri elde edildikten sonra, önceden belirlenmiş sıcaklık aralıkları kullanılarak her bir yağış durumu sayılmış, kar ve yağmur için olasılık dağılımları ortaya çıkarılmıştır. Kritik hava sıcaklığı için 20 yıl olan çalışma periyodu 10'ar yıllık iki periyoda ayrılmış ve iki on yıllık dönem arasındaki değişim de incelenmiştir. Bununla birlikte, yüksekliğin ve bağıl nemin kritik sıcaklık türlerine etkisi de incelenmiştir.
Çalışmada 1997-2006 dönemi kritik hava sıcaklığı değerleri hesaplandığında, 67 adet istasyonun 55 tanesinde kritik hava sıcaklığı değeri tespit edilmiş olup, bunların 51 tanesinde kritik sıcaklık değeri 0.5°C ile 2.0°C arasındadır. Tüm istasyonların kritik sıcaklık ortalaması ise 1.2°C olarak bulunmuştur. 2007-2016 döneminde ise, 80 adet istasyonun 68 tanesinde kritik hava sıcaklığı değeri tespit edilmiştir. Bu istasyonların 62 tanesinde kritik sıcaklık değerinin 1.0°C ile 2.5°C arasında olduğu görülmüştür. Bu periyot için tüm istasyonların kritik sıcaklık ortalaması ise 1.7°C olarak tespit edilmiştir. Çalışma periyodunun tamamı incelendiğinde, 20 yıllık verisi olan 68 adet isatsyonun 50 tanesinde kritik hava sıcaklığı değerinin 0.5°C ile 2.0°C arasında olduğu görülmüştür. 20 yıllık dönem için tüm istasyonların kritik sıcaklık ortalaması ise 1.4°C olarak tespit edilmiştir.
Kritik hava sıcaklığının 10'ar yıllık kıyaslamasına bakıldığında; her iki on yıllık dönemde de kritik değere sahip olup, karşılaştırması yapılabilen 52 adet istasyonun 39 tanesinde kritik hava sıcaklığı değerlerinde artış olduğu görülmektedir. Bu artışların 31 tanesi ise, 0.0°C ile 1.0°C arasında gerçekleşmiştir. Tüm istasyonlar için kritik hava sıcaklığı değerlerinde ortalama 0.4°C'lik bir artış gözlenmektedir. 2007-2016 dönemi için kritik çiy noktası sıcaklığı değerleri hesaplandığında ise, kritik değer tespit edilebilen 42 adet istasyonun 31 tanesinde kritik çiy noktası değerinin -0.5°C ile 1.0°C arasında olduğu görülmüştür. Tüm istasyonlar için kritik çiy noktası sıcaklığı ortalaması ise -0.2°C olarak hesaplanmıştır.
Çalışmada son olarak ise; kritik sıcaklık değerleri ile yükseklik, bağıl nem ve basınç ilişkileri incelenmiştir. Her iki kritik sıcaklık türü için, yükseklik değerleri ile anlamlı olmayan ters ilişki olduğu görülmüştür. Her iki sıcaklık türü ile basınç arasında, anlamlı olmayan bir doğrusal ilişki bulunmuştur. Kritik sıcaklıkların bağıl nem ile olan ilişkileri incelendiğinde ise, bağıl nem ile kritik çiy noktası sıcaklığı arasında istatistiksel olarak anlamlı bir doğrusal ilişki ortaya çıkarılmıştır.
Bu çalışma, ülkemizde kar yağışı ile yağmuru ayıran kritik sıcaklığın incelendiği ilk çalışma olma özelliğine sahiptir. Çalışmada elde edilen sonuçların; hem ülkemizde hem de ülkemizin de içinde bulunduğu Akdeniz Havzası'nda yapılacak çalışmaların sonuçlarına katkı sunması hedeflenmektedir. Çalışmada elde edilen sonuçların, su kaynaklarının korunması ve daha etkin kullanılması konusunda karar vericilere bilgi desteği sağlaması amaçlanmaktadır. Ayrıca elde edilen sonuçlarla uzaktan algılama, hava tahmini, vb. alanlar için de araştırmacılara bilgi desteği sağlanması hedeflenmektedir.

Abstract:
In recent years, the global climate change and temperature increase have made their impact felt thoroughly in human life in many areas. The most important of these effects are floods that occur as a result of heavy rains and severe droughts. The Mediterranean Basin, including our country, is one of the regions that are expected to be most exposed to the negative effects of global climate change. It is expected that the increase in temperature will also have an impact on the type of precipitation that occurs in the middle latitudes, including our country. As a result of the studies carried out in our country in recent years, it has been observed that there are significant decreases in the ratio of the number of snowfall days to total precipitation days in many regions, especially in the Eastern Anatolia Region. It has been revealed that this change is directly related to the increase in temperature. In accordance with the results obtained from previous studies, it has become necessary to conduct more detailed studies on snowfall and rain.
The critical temperature is defined as the temperature at which snowfall and rain occur with equal probability. In other words, the temperature value at which the probability of occurrence of both precipitation types is 50% is called the critical temperature. When the historical development of the critical temperature value is analyzed, it is seen that a constant threshold temperature value was used as the critical temperature in previous years. In the following years, critical temperature value determinations were made with different approaches around the world.
In the studies conducted on the critical temperature around the world, air temperature, which is the most important factor affecting the type of precipitation, was mostly focused on. In addition, as a result of various studies, it has been revealed that relative humidity, wet-bulb temperature, air pressure and inversion near the ground have also an effect on the type of precipitation.
The aim of this study is to reveal the critical temperature values that separate snow and rain throughout Turkey, to reveal whether there is any temporal and spatial change in critical temperatures, and to determine the variables that affect critical temperatures.
Within the scope of the study, critical temperature values were determined for both air temperature and dew point temperature. The data used in the study were obtained from the Turkish State Meteorological Service. The requested data are the precipitation continuation hours (type of precipitation, start and end times), hourly air temperature and hourly relative humidity data of the stations making synoptic observations. The data period in the study was taken to be 1997-2016 for air temperature and 2007-2016 for dew point temperature.
Since the temperatures that will separate the snow and the rain will be calculated, the winter season in which both snowfall and rain occur together has been taken into account. In the study, snow, snow showers, rain and rain showers were used as precipitation types. When evaluated for all stations, it has been determined that there are 8 different winter periods.
In the study, firstly, the precipitation continuation hours obtained from the Turkish State Meteorological Service were divided according to the type of precipitation on a station-by-station basis. Since the temperature at the onset of each precipitation will be used, the interpolation was made using the hourly temperature values available. In order to perform the interpolation, a macro was created that combines the temperature values in 5 consecutive hours, including the exact time of the start of the precipitation. As a result of this macro, the precipitation continuation time information and the temperature values for 5 consecutive hours were combined in the same file. Then, the temperature values at the onset of each precipitation were determined by interpolation performed using FORTRAN software. These temperature values found were also divided according to the type of precipitation (snow and rain). The same interpolation procedure for dew point temperature discrimination was also applied to find the relative humidity values.
After obtaining the temperature and relative humidity values at the beginning of the precipitation according to the precipitation type (snow and rain), each precipitation situation was counted by using predetermined temperature ranges, and then the probability distributions for snow and rain were revealed. The study period, which is 20 years for the critical air temperature, was divided into two periods of 10 years and the change between the two decades was also examined. In addition, the effects of altitude and relative humidity on critical temperature types were also investigated.
In the study, when the critical air temperatures for the 1997-2006 period was calculated, the critical air temperatures were identified for 55 of 67 stations and the critical air temperature value in the 51 station was between 0.5°C and 2.0°C range. The average critical air temperature of all stations was found to be 1.2°C. In the period 2007-2016, the critical air temperature value was determined in 68 of the 80 stations. It was observed that, in 62 of these stations, the critical air temperature value was between 1.0°C and 2.5°C. The average critical air temperature of all stations for this period was determined as 1.7°C. When the entire study period was examined, it was seen that the critical air temperature value was between 0.5°C and 2.0°C in 50 of the 68 stations with 20 years data. The average critical air temperature of all stations for the 20-year period was found to be 1.4°C.
Considering the decadal comparison of critical air temperature, it is seen that there is an increase in critical air temperature values in 39 of the 52 stations that have a critical value in both ten-year periods which can be compared. 31 of these increases occurred between 0.0°C and 1.0°C. An average increase of 0.4°C is observed in the critical air temperature values for all stations. When the critical dew point temperature values were calculated for the period 2007-2016, it was seen that the critical dew point value was between -0.5°C and 1.0°C in 31 of the 42 stations where the critical value could be determined. The average critical dew point temperature for all stations was calculated as -0.2°C.
Finally, the critical temperature values, altitude, relative humidity and pressure relations were examined in the study. For both critical temperature types, there was a non-significant inverse relationship with altitude values. In addition there was a non-significant linear relationship with pressure values and critical temperatures. When the relations of critical temperatures with relative humidity were examined, a statistically significant linear relationship was found between relative humidity and critical dew point temperature.
This study has the speciality to be the first study in our country to examine the critical temperature which separates snow and rain. It is aimed that the results obtained from the study will contribute to the results of studies that will be conducted both in our country and in the Mediterranean Basin, where our country is also located. The results obtained from the study are intended to provide information support to decision-makers on the protection and more effective use of water resources. Also, with the results obtained, it is aimed to provide information support to researchers in the fields of remote sensing, weather forecasting, etc.