Karadeniz bölgesi ekstrem yağışlarının durağan olmayan şiddet-süre-tekerrür analizi
Non-stationary intensity-duration-frequency analysis of extreme precipitation in the Black Sea region
Yazar: SAİT GENAR YALDIZ
Danışman: PROF. DR. HAFZÜLLAH AKSOY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Karadeniz bölgesi = Black Sea region ; Tekerrür = Recidivisim ; Yağış eğrileri = Precipitation curves ; Yağışlar = Rainfall

Özet:
İklim değişimi ve değişkenliği sonucunda hidrolojik döngünün her bir evresinde farklı şekillerde etkiler meydana gelmektedir. Artan sıcaklıklar ve buna bağlı olarak ekstrem hava olaylarının süresinde ve frekansında artışlara tüm dünyada rastlanmaktadır. Bu olaylar içerisinde özellikle yağışların zamandaki ve mekandaki dağılımları değişmekte, uzun sürelerde görülen yağışlar artık artan yağış şiddetleriyle beraber ani ve çok daha kısa sürede görülebilmektedir. Bu durumun sonucu olarak yaşanan büyük çapta can ve mal kayıplarına neden olabilecek çeşitli doğal afetler insanlığı tehdit
etmektedir. Ani ve şiddetli yağışlara karşı alınacak önlemler için yapılması gereken taşkın koruma yapıları başta olmak üzere yağmur suyu kanalizasyonu sistemleri, köprüler ve menfezler gibi yapıların tasarımında sıklıkla kullanılan yağış şiddet-süre-tekerrür (ŞST) eğrilerinin değişen iklim koşullarına göre revize edilmesi artık önemli bir ihtiyaç arz etmektedir. Planlama aşamasında kullanılan bu eğriler sayesinde su yapılarına belirli hizmet ömürleri biçilebilmektedir. Ancak ekstrem yağışların şiddet ve tekerrüründeki artışlar artık bu yapıların hizmet ömürlerinin kısalmasını oldukça
muhtemel hale getirmektedir. Dolayısıyla bu alanda dünyanın pek çok bölgesinde değişen iklim koşullarına uygun olacak şekilde yeni ŞST bağıntıları geliştirilmeye devam etmektedir. Ülkemiz için ise ŞST eğrilerinin revize edilmesi ihtiyacı özellikle son yıllarda yaşanan taşkın felaketleri neticesinde pek çok yurttaşımızı kaybettiğimiz Karadeniz Bölgesi
için oldukça önemli hale gelmiştir. Bu ihtiyaç doğrultusunda gerçekleştirilen bu çalışmada bölgede plüviyograf kaydı olan 21 adet YGİ'den elde edilen veriler kullanılmıştır. 5 dakika ile 24 saat arasındaki standart sürelerde (5, 10, 15, 30 dakika, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 18, 24 saat) gözlenen yıllık maksimum yağış serilerinde ekstrem olayları modellemede sıklıkla kullanılan istatistiksel GEV modelleri kurulmuştur. Bunun için ilk olarak homojenlik analizleriyle serilerin güvenilirlikleri test edilmiş ve serilerde meydana gelen kırılma yılları araştırılmıştır. Sonrasında trend ve korelasyon
analizleri gerçekleştirilmiş ve yağışların hangi değişkenlerle ilişkili olarak değişim gösterdiği belirlenmeye çalışılmıştır. Analizlerden elde edilen sonuçlara bağlı olarak zaman veya Kuzey Atlantik Salınımı (NAO), Arktik Salınım (AO) ve bunların, maksimum yağışların görüldüğü aylardan 3 ay öncesine kadar olan dönemi kapsayan aylık maksimumlarından, anlamlı bir ilişkinin tespit edildiği değerleri GEV modellerine entegre edilerek bu uzak etkileşim desenlerinin yağışların geri dönüş seviyeleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuçlar yağış şiddeti cinsinden ifade edilerek ŞST eğrilerinde görselleştirilmiştir. Analizlerin gerçekleştirilmesinde ve modellerin kurulmasında açık kaynak kodlu R dilinin kullanıldığı çalışma neticesinde ilgilenilen değişkenlerin yağışlar ile arasında önemli anlamlı ilişkilere rastlanmış ve yağış şiddetlerinde dikkate değer artış paternleri gözlenmiştir.

Abstract:
Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves show the relationship between the intensity and duration of precipitation in different return periods. It is an indispensable aid for engineers in the design of many water structures such as stormwater drainage networks, flood protection structures, bridges and culverts. Thanks to these curves, safe and cost-efficient structures can be constructed by various risk analyzes carried out in the planning and various predictions can be made about their service life. IDF curves are developed by frequency analysis performed on existing precipitation
records observed at different times in the region of interest. For this, the data are first fit with an appropriate probability distribution function (in most cases GEV, Lognormal or Log Pearson Type III etc.). With the help of these models developed afterwards, the precipitation intensities in the selected return periods are calculated. Finally, the precipitation intensity values calculated at different times are visualized on a graph or this relationship is expressed mathematically by regression analysis. The first appearance of these curves dates back to the 1930s. After the second half of the 20th century, these curves began to be produced and mapped for many regions of the world. Therefore, in most cases, engineers do not need to work to re-establish this relationship. However, the expected increase in the intensity and frequency of extreme precipitation as a result of climate change and variability over the last few years has
necessitated a review of these existing relations. Recently, researchers have tried to redefine the IDF relationship in precipitation in accordance with the non-stationary conditions brought by the changing climate in many regions. In this context, the subject is still up-to-date. Studies applied to revise the IDF relation generally focused on integrating trends detected in precipitation into established statistical models. The need for studies in this direction is increasing day-by-day, especially for the Black Sea region, where many people have lost their lives as a result of natural disasters caused by extreme precipitation in recent years. In this study, which was carried out in order to close this gap in the literature, frequency analysis was performed on the annual maximum precipitation data in 14 standard durations, ranging from 5 minutes to 24 hours, measured by pluviograph at 21 precipitation observation stations, and new IDF curves were tried to be produced for the region. Firstly, the reliability of the existing data was tested with four absolute homogeneity tests (Pettitt, Buishand, SNHT, and Von Neumann). The years in which significant
breaks occurred in the mean of the series were then determined through the tests and the possible reasons for this break were questioned. The existence of a time-dependent trend in precipitation was investigated with the Mann-Kendall trend test. In addition, Spearman's Rank Correlation test analyzed the correlation between the precipitation and two teleconnection patterns, Arctic and North Atlantic Oscillations (AO and NAO). For the NAO and AO, 1, 2, and 3-month possible lagged impacts were also examined. As a result of these analyzes, significant temporal upward trends were
observed in 11 of 21 stations and significant correlations with teleconnection patterns were observed in 13 stations. GEV models were constructed under the assumption of stationarity for all stations. Besides, non-stationary GEV models were established also for the stations in which the temporal trends or significant statistical correlation with teleconnection patterns were observed by using these values as the covariate. In the non-stationary models, only the change in location parameter was modelled. GEV parameters were estimated with the Bayesian Markov Chain Monte Carlo (MCMC) simulation technique and then the return levels of precipitation in selected return periods were calculated. Among the models established at each station, the most suitable one was determined by Deviance Information Criteria (DIC) and IDF curves were produced for the most suitable ones. The results revealed that the IDF relationship obtained from the non-stationary model for 15 stations is more appropriate than the stationary model.