Havalimanlarında sis hadisesinin  CAT kategorileri temelinde incelenmesi ve yeni bir yaklaşım olarak rüyetografların geliştirilerek uygulanması
Investigation of fog in airports based on CAT categories and the development and application of visionographs as a novel approach
Yazar: OSMAN TEK
Danışman: PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Gelişen havacılık sektörü, modern toplumların kültür, ekonomi ve ulaşım alanlarındaki gelişimini etkileyen bir anahtar olmuştur. Bu sektörün yarattığı etkiler, insan yaşamını zenginleştiren bir dizi faktörü içermektedir. Her alanda olduğu gibi havacılıkta birçok riski bünyesinde barındırır. Bu risklerin en önemlilerden biri meteorolojik koşullar olmaktadır.  Fırtınaların, yoğun sisin, kar yağışının ve şiddetli rüzgarların etkisiyle uçuş güvenliği ciddi bir şekilde tehlikeye girebilmekte, uçuşların iptal edilmesine veya gecikmeli olarak gerçekleşmesine neden olabilmektedir. Bu tür olumsuz durumları önceden tahmin ederek ve önleyerek havacılık sektörünün ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla, meteorolojinin özel bir dalı olan havacılık meteorolojisi geliştirilmiştir. Bu alandaki uzmanlar tarafından, hava koşullarını dikkatle izleyerek güvenli uçuş koşullarını sağlamak için stratejiler geliştirip uçuş operasyonlarını etkileyebilecek herhangi bir olumsuz durumu önceden tespit etmek hedeflenmiştir.
Havacılıkta önemli risklerden olan meteorolojik koşulların başında; tahmini zor ve meteorolojik koşullardan en karmaşık faktör olan, sis hadisesi gelmektedir.  Sis hadisesi, görüş mesafesini kısıtlayarak pilotların ve hava trafik kontrolörlerinin karar alma süreçlerini zorlaştırabilmektedir. Özellikle iniş ve kalkış aşamalarında, sisin varlığı uçuş güvenliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Bu sebeple, havalimanlarında uçakların düşük görüş koşullarında güvenli bir şekilde iniş yapmalarına olanak sağlayan, Aletli İniş Sistemi (ILS) bulunmaktadır. ILS; kategori I, kategori II ve kategori III olmak üzere üç yaklaşımdan oluşmaktadır.
Bu tez kapsamında, 2015-2023  yılları arasında ocak, şubat, kasım ve  aralık aylarında gerçekleşen sis hadiseleri için Türkiye'nin farklı bölgelerinde bulunan; Batman Havalimanı, Diyarbakır Havalimanı, Mardin Havalimanı, İstanbul Sabiha Gökçen Havalimanı, Ankara Esenboğa Havalimanı ve İstanbul Havalimanı olmak üzere altı havalimanı, ILS kategorilerine göre, sis hadisesinin en etkili olduğu kasım, aralık, ocak ve şubat aylarındaki RVR (Pist Görüş Mesafesi) verileri kullanılarak yeni bir yaklaşım olarak rüyetografların geliştirilmesi ve uygulanması yapılmıştır. Ancak 2018- 2023 yılları arasındaki verilerden 2023 yılına ait yalnızca ocak ve şubat ayları verileri kullanılmıştır. Ayrıca İstanbul Havalimanı 2018 yılında açıldığından, bu çalışmada sadece bu tarihten sonraki veriler dikkate alınmıştır. Bu günlerde yaşanan sis hadisesini daha etkili bir şekilde anlamak ve uçuş planlaması sırasında olası sorunları en aza indirmek amacıyla, her bir sis hasisesini üç aşamaya (başlangıç evresi, kritik evre, dağılma evresi) ayıran bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde başlangıç evresi, sisin düşmeye başladığı anı temsil eder ve CAT (550m, 350m, 200m) sınırına ulaşana kadar olan süreyi kapsar. Kritik Evre, sisin CAT (550m, 350m, 200m) sınırını geçip daha sonra tekrar bu sınıra geri dönme süresidir. Dağılma Evresi ise sisin dağılmaya başladığı ve pist görüş mesafesinin CAT (550m, 350m, 200m) sınırlarının üzerine çıktığı süreyi temsil etmektedir. 
Daha sonrasında, R programı kullanılarak her bir evre için sisin etkilerini daha iyi anlamak amacıyla dağılımın yüzde 50'si ve yüzde 80'i kullanılarak AYDF (Ampirik Yığışımlı Dağılım Fonksiyonu) analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizler, çalışılan her havalimanı için başlama, kritik ve dağılma evrelerinde geçen süreleri dakika cinsinden ortaya koymuştur. Ek olarak çalışılan her havalimanı için CAT I kategorisi baz alınarak pist görüş mesafesinin 550m altında olduğu kritik evrenin başlangıç ve bitiş saatleri belirlenip frekans analizi yapılarak riskli saatler belirlenmiştir. Frekans analiziyle uçağın inemediği saat dilimleri içinde riskli saatler "en riskli", "orta riskli" ve "az riskli" olarak belirlenmiştir. Frekans analizinin amacı, uçuş planlaması yapılırken en uygun saatleri seçerek uçuşların rötara uğramasını, divert ve iptal edilmesini en aza indirmek için havayolu şirketlerine ve havalimanı işletmecilerine rehberlik edebilmektedir.
Yapılan bu analizler sonucunda, çalışılan her bir havalimanının sisin yıl boyunca nasıl değiştiğini göstermek amacıyla; CAT I, CAT II, CAT III kategorilerine göre, dağlımın %50'si ve %80'i için; bir akarsuda meydana gelen taşkın olayını, sis hadisesinin bir bölgedeki birikmesi ve görüşü kapatması olarak düşünülmüştür. Bu sebeple, taşkın olayında kullanılan birim hidrograf modelinden geliştirilen, yeni bir yaklaşım modeli olan "rüyetograf" oluşturulmuştur. Rüyetograflar CAT kategorileri sınırını baz alarak başlangıc, kritik ve dağılma olmak üzere üç aşamalı şekilde oluşturulmuştur. 
Oluşturulan rüyetograf sayesinde havalimanlarında yaşanan sis hadisesinin karmaşık yapısını tahmin edebilmek, planlayabilmek ve standartlaştırılmış hale getirilmesi mümkün kılınmıştır.
Tez sonuçlarına göre; Ankara Esenboğa Havalimanı için 04:30-07:00 (UTC), Batman Havalimanı için 02:00-06:00 (UTC), Diyarbakır Havalimanı için 00:00-06:30 (UTC), İstanbul Havalimanı için 02:30-03:30, Mardin Havalimanı için 04:00-06:30 (UTC), İstanbul Sabiha Gökçen Havalimanı için 00:30-02:00 ve 04:00-06:00 zaman dilimlerinin sis hadisesinin gerçekleşme ihtimalleri açısından en riskli saatler olduğu belirlenmiştir. Altı havalimanında da sis hadisesinin yaşandığı riskli saatler yeryüzeyinin soğumaya başladığı saatlerden itibaren güneşin doğuşuna kadar olan zaman dilimi olduğu görülmektedir. Bu duruma aykırı bir hadise görülmemektedir.
CAT III kategorisine sahip olan Ankara Esenboğa Havalimanında, sis hadisesi yaşanan günlerin genellikle başlangıç evreleri dağılma evrelerinden daha uzun sürdüğü sonucuna varılmıştır. Mardin Havalimanında radyasyon sisi etkisinin hâkim sürmesi ve sis hadiseleri çok ani bir şekilde CAT kategorileri sınırlarının atına indiği belirlenmiştir.
Diyarbakır Havalimanı ve Batman Havalimanı yakınından geçen nehir, sis hadisesinin ani bir şekilde yaşanmasına sebep olmaktadır. İstanbul Havalimanı ve İstanbul Sabiha Gökçen Havalimanı'nda deniz etkisi altında olduğu görülmektedir ancak konum sebebiyle birbirileri ile benzerlik göstermemektedir.
Yeni bir yaklaşım modeli olarak "rüyetografların" geliştirilmesi ve uygulanması, her bir havalimanı için özelleştirilmiş olarak, havayolu endüstrisi için kapsamlı bir kaynak olma potansiyeline sahiptir. Sis olaylarının yıl boyunca nasıl değiştiğini anlamak, operasyonel maliyetleri azaltmak ve uçuş planlamasını optimize etmek amacıyla stratejiler geliştirmeye yönelik olarak kullanılabilirler. Frekans analizleri, havayolu şirketleri ve havalimanı işletmecileri için önemli bir kaynak olabilir, çünkü uçuş planlaması sırasında en uygun saatleri seçmek ve uçuşların rötara uğramasını, divert olmasını ve iptal edilmesini en aza indirmek amacıyla kullanılabilir.

Abstract:
The developing aviation sector plays a crucial role in developing modern societies in cultural, economic and transportation ascepts. The impacts created by this sector include a number of factors that enhances human life. Meteorological factors are an important factor that highlights the complexity and sensitivity of the aviation industry. Compared to other modes of transportation, the aviation sector is more affected by meteorological factors. Aviation activities are highly dependent on weather conditions for safety and efficiency. Pilots make flight plans in line with weather forecasts and make decisions based on these forecasts during the flight. Airports organize their operations according to weather conditions and take the necessary precautions for flight safety. Like any field, aviation presents numerous risks, with meteorological conditions being the most significant. Adverse weather phenomena such as storms, dense fog, heavy snow, and strong winds can severely compromise flight safety, leading to the cancellation or delay of flights. To address these challenges, the specialized field of aviation meteorology has emerged. It focuses on forecasting and mitigating such detrimental conditions to support the aviation industry. Experts in this field aim to develop strategies to ensure safe flight conditions by carefully monitoring weather conditions and to detect any negative situations that may affect flight operations in advance.
According to the results of the October 2023 Air Traffic Operations Report by EUROCONTROL; When the current situation in Türkiye is examined, in terms of air traffic, our country ranks sixth among the countries with the most intensive landing and takeoff management in Europe, with 948 thousand flights, according to last year's results. As of 2023, Turkish Airlines (THY) ranks third among the airlines operating the most flights with an average of 1,454 flights per day. Istanbul Airport is the busiest airport in Europe with an average of 1,390 flights per day.
These statistics show once again that Türkiye has an impressive performance in the aviation sector and hosts a large air traffic. Thus; Our country stood out among the countries experiencing a rapid normalization process in the aviation sector after the COVID-19 pandemic. This success was possible thanks to the effective support provided to the sector and the correct measures taken during the pandemic period (SHGM, 2022). The aviation sector has shown a faster recovery compared to other countries. The effective implementation of supports for the sector during the pandemic and the controlled removal of travel restrictions are the main reasons for this rapid recovery. In addition, the aviation industry attaches great importance to safety and hygiene standards, allowing passengers to travel safely.
Aviation activities are considered a fragile industry under the influence of many factors and may be disrupted for various reasons. These reasons may include weather conditions, technical problems, airport operations, air traffic control, or even political or security issues. Weather conditions seriously affect aviation activities. Meteorological conditions such as storms, dense fog, snowfall and strong winds can jeopardize flight safety and cause flights to be canceled or delayed.
One critical meteorological condition in aviation is fog, which stands as the most challenging to predict and the most complex among meteorological phenomena. Fog significantly reduces visibility, complicating the decision-making processes for pilots and air traffic controllers. The presence of fog has a direct impact on flight safety, especially during the landing and take-off phases. To mitigate these risks, airports are equipped with an Instrument Landing System (ILS), designed to enable safe landing even in low visibility conditions. The ILS is categorized into three types: category I, category II, and category III. 
In this thesis, an analysis was conducted on the occurrence of fog in various regions of Türkiye from 2015 to 2023. Six airports were selected for the study based on their ILS categories. These airports are Batman Airport, Diyarbakır Airport, Mardin Airport, Istanbul Airport, Istanbul Sabiha Gökçen Airport, and Ankara Esenboğa Airport. The research focused on november, december, january, and february, the months when fog is most prevalent. The foggy days at these airports were identified using RVR (Runway Visual Range) data. To better understand and manage the impact of fog on flight planning, a method categorizing each fog event into three stages was developed: the ınitial phase, the critical phase, and the dissipation phase. In this method, the Inception phase represents the moment when the fog begins to fall and covers the period until it reaches the CAT (550m, 350m, 200m) limit. The critical phase is the time when the fog passes the CAT (550m, 350m, 200m) boundary and then returns to this boundary. The dissipation phase represents the period when the fog begins to dissipate and the runway visibility exceeds the CAT (550m, 350m, 200m) limits.
ECDF (Empirical Cumulative Distribution Function) analysis was conducted using the R programming language. This analysis focused on 50 percent and 80 percent of the distribution to gain a deeper understanding of the fog's effects during each phase. The analysis provided insights into the duration of the initial, critical, and dissipation phases of fog at each airport under study. In addition, for each airport studied, the start and end times of the critical phase, charectarized by runway visibility lower than 550m, were determined based on the CAT I category. Risky hours during this phase were determined through frequency analysis. This analysis categorized the hours when landing was most challenging into three risk levels: 'most risky,' 'medium risk,' and 'low risk.' The goal of this frequency analysis is to aid airlines and airport authorities in minimizing flight delays, diversions, and cancellations by selecting optimal times for flight scheduling.
As a result of these analyses, to illustrate the yearly variation of fog at each studied airport, the data was categorized according to CAT I, CAT II, CAT III levels for 50% and 80% of the distribution. The flood occurring in a stream is thought to be the accumulation of fog in an area and obscuring the view. For this reason, a new approach model, the "visionograph"(rüyetograf), was created, developed from the unit hydrograph model used in flood events. Visionographs were created in three stages: initial, critical and dispersion, based on the CAT category border.
The development of visionographs enabled more effective prediction, planning, and standardization of the complex structure of the fog experienced at airports.
According to the results of the thesis, the riskiest hours for fog occurrence at each airport were identified as follows: For Ankara Esenboğa Airport, it's from 04:30 to 07:00 UTC; for Batman Airport, from 02:00 to 06:00 UTC; for Diyarbakır Airport, from 00:00 to 06:30 UTC; for Istanbul Airport, from 02:30 to 03:30 UTC; for Mardin Airport, from 04:00 to 06:30 UTC; and for Istanbul Sabiha Gökçen Airport, from 00:30 to 02:00 and 04:00 to 06:00 UTC. It was observed that the risky hours for fog at all six airports consistently fall within the period from when the ground begins to cool overnight until sunrise, with no exceptions to this pattern.
The study concluded that at Ankara Esenboğa Airport, which is equipped with CAT III capabilities, the initial phases of foggy days typically last longer than the dissipation phases. At Mardin Airport, the prevalence of radiation fog has been noted, with fog events frequently dropping below the CAT category limits unexpectedly. The proximity of a river near Diyarbakır Airport and Batman Airport has been identified as a cause of sudden fog formation. While both Istanbul Airport and Istanbul Sabiha Gökçen Airport are influenced by their proximity to the sea, their fog patterns are distinct due to their different locations.
The development and application of visionographs as a new approach model, customized for each airport, has the potential to be a comprehensive resource for the airline industry. They can be used to understand how fog events vary throughout the year and develop strategies to reduce operational costs and optimize flight planning. Frequency analysis can be an important resource for airlines and airport operators because it can be used during flight planning to select optimal times and minimize flight delays, diverts and cancellation.
As a result of the analyzes carried out within the scope of the thesis, fog events occurring in November and December 2023 were examined and compared with the visionographs in order to test the accuracy of the created visionographs. All examinations carried out on Batman, Mardin and Diyarbakır Airports show that visionographs created for 50% of the ECDF distribution provide results that are more compatible with those for 80%. Critical phase periods occurred less frequently; As a result, examining each fog case in detail and testing it with monthly visionographs will help us reach more accurate results.
It is thought that determining the fall rates of fog events as a result of analyzing the reductions in visibility with airport unit visionographs can provide significant convenience to flight operations experts and airport meteorology office personnel in estimating the onset and dissipation times of fog events. This analysis reveals that understanding the fog event climatology at airports can contribute to more orderly flight activities by taking it into account in the planning for flight operations. This approach is also considered to be able to help models designed for airports become more effective and accurate by providing fog climatology information to fog forecast models. The analysis provides the opportunity for stakeholders in the aviation industry to determine optimal operational arrangements and make effective planning. By implementing this approach, it is aimed to carry out flights in a more regular and uninterrupted manner, increasing operational efficiency and preventing potential disruptions.
Fog phenomenon is the most complex and most difficult to predict meteorological parameter in meteorology. For this reason, existing models and forecasting systems have difficulty making accurate predictions. If at least 30 years of data are examined, it is thought that the visionograph model, which is a new approach, may be more useful in solving the complex structure of the fog phenomenon. Additionally, considering that meteorological conditions vary on a monthly basis, monthly visionographs with more data in the future will produce better results.