Kuzey Atlantik salınımı ve güney salınım indeksi iklim göstergelerinin sinyal analizi yöntemleri ile incelenmesi
Investigation of the North Atlantic oscillation and southern oscillation index climate indices by signal analysis methods
Yazar: BİRSEN GÜLER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YAKUP SABRİ ÖZKAZANÇ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: El Nino = El Nino ; Güney salınımı = Southern oscillation ; Güneş leke nestleri = Sunspot nests ; Kanonik korelasyon = Canonical correlation ; La Nina = La Nina ; Wigner dağılımı = Wigner distribution ; İklim değişikliği = Climate change

Özet:
İklim, belirli bir bölgede uzun bir süre boyunca gözlenen sıcaklık, nem, hava basıncı, yağış miktarı, yağış şekli, rüzgâr hızı gibi meteorolojik olayların tipik davranışı ile ifade edilir. Buna bağlı olarak Dünya'nın iklim sistemi, atmosferin ve okyanusların doğal etkisiyle bir bölgenin rüzgâr, yağmur ve sıcaklık dağılımını kontrol eder. İklim sistemlerine bakıldığında durağan bir yapı değil, zaman içerisinde çeşitli etkenler sebebiyle değişen dinamik bir yapı gözlenmektedir ve bu değişim yerküre üzerindeki tüm çevreyi ve canlıları etkilemektedir. İklim sistemindeki değişiklikler iklim indeksleri ile ifade edilir. İklim indeksleri günlük, aylık, yıllık zaman serileridir ve hava basıncı, hava sıcaklığı, yağış, Güneş ışıması, deniz yüzeyi sıcaklığı, buz örtüsü gibi değişkenlerden meydana gelir. Bu tez çalışmasında Kuzey Atlantik Okyanusu'nda ve Güney Pasifik Okyanusu'nda gözlenen iki farklı mevsimsel hareketlilik incelenmiş, bu hareketliliklerin yerküre üzerindeki periyodik ve aralıklı zamanlarda göstermiş olduğu etkiler araştırılmıştır. Kuzey Atlantik Okyanusu'ndaki iklimsel hareketliliğin karakteristiğini belirlemek için hava basıncına bağlı Kuzey Atlantik Salınım (NAO) iklim indeksi, Güney Pasifik Okyanusu'ndaki iklimsel hareketliliğin karakteristiğini belirlemek için ise hava basıncına bağlı Güney Salınım İndeksi (SOI) incelenmiştir. Bunun yanı sıra Güneş'ten gelen ışımanın yerküredeki iklim olaylarına etkisini incelemek için Güneş Lekesi Sayısı (SSN) iklim indeksi de çalışmaya dahil edilmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasında NAO, SOI ve Güneş Lekesi Sayısı veri kümelerinin periyotları yani döngüleri ayrı ayrı belirlenmeye çalışılmış, bu amaç doğrultusunda özilinti yöntemi, periyodogram analizi, değişkin periyodogram analizi ve Welch yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, iklim göstergelerinin birbirleri ile olan ilişkileri çapraz ilinti yöntemi ile incelenmiştir. Wigner-Ville Dönüşümü (WVD) yöntemi kullanılarak, NAO, SOI ve Güneş Lekesi Sayısı iklim göstergelerinin zaman-frekans dönüşüm analizleri yapılmış, bu sayede sinyallerin aynı anda hem zaman hem de frekans alanında incelenmeleri mümkün olmuştur. Çapraz Wigner-Ville Dönüşümü (XWVD) yöntemi ile iklim göstergelerinin aralarındaki ilinti, zaman-frekans alanında ayrıca incelenmiştir. Çalışmanın son kısmında Kanonik Korelasyon Analizi yöntemi kullanılarak Güneş Lekesi Sayısı, NAO ve SOI arasında dinamik bir sistem modeli tanımlanmış, iklimsel hareketliliklerin aralarındaki ilişki modellenmeye çalışılmıştır. Analizler sonucunda Kuzey Atlantik Okyanusu'nda ve Güney Pasifik Okyanusu'nda gerçekleşen iklimsel hareketlilikler karakterize edilmeye çalışılmış, bu hareketliliklerin yerküre üzerinde yarattıkları etkileri incelenmiştir. 
Periyot analizleri sonucunda Kuzey Atlantik Salınımı, Güney Salınımı içerisinde gözlenen başat periyotların büyük bir kısmının ortak periyotlar olduğu görülmüştür. Ayrıca iki salınım içerisindeki tüm periyotların Güneş Lekesi veri kümesi periyotları içerisinde yer aldığı tespit edilmiştir. Çapraz analiz sonuçları ile Kuzey Atlantik Okyanusu'nda ve Güney Pasifik Okyanusu'nda gerçekleşen iklimsel hareketliliklerin birbirleri ile ilişkili olduğu gözlenmiştir. Güneş Lekesi veri kümeleri ile gerçekleştirilen çapraz ilinti analizleri sonucunda Güneş'in iki salınım üzerinde etkili olduğu gözlenmiştir. Güneş'in iki salınım üzerinde etkili olan temel bir olgu olduğu tez çalışmasının önemli bir sonucu olarak elde edilmiştir. Güneş Lekesi Sayısı veri kümesinin Wigner-Ville Dönüşümü sonucu ile Güneş yüzeyi üzerindeki enerji yoğunluğunun zaman içerisinde periyodik bir biçimde artıp azaldığı gözlenmiştir. Kuzey Atlantik Salınımı veri kümesinin Wigner-Ville Dönüşümü sonucunda enerji yoğunluğunun yüksek olduğu tarihlerin güçlü Kuzey Atlantik Salınımı evrelerine karşılık geldiği tespit edilmiştir. Güney Salınım İndeksi veri kümesinin Wigner-Ville Dönüşümü sonucunda ise enerji yoğunluğunun yüksek olduğu tarihlerin Dünya'nın iklimini etkileyen önemli El-Niño ve La-Niña evrelerine karşılık geldiği gözlenmiştir.

Abstract:
Climate is expressed as the typical trends of meteorological events such as temperature, humidity, air pressure, amount of precipitation, type of precipitation and wind speed observed over a long period of time in a particular area. Accordingly, the climate system of the world controls the distribution of wind, rain, and temperature of a region by the natural forces of the atmosphere and oceans. When the climate system is considered, it is not a static system, but it is a dynamic system that changes due to various factors over time and this fluctuation affects all the environment and living creature on earth. Changes in climate system are described with climate index. Climate indexes are daily, monthly, yearly time series and consist of parameters such as air pressure, air temperature, precipitation, solar radiation, sea surface temperature. In this thesis, two different climate motions occurring in the North Atlantic Ocean and South Pacific Ocean are investigated, their effects on the earth that are periodic or intermittent are searched. To determine the characteristic of climatic activity in the North Atlantic Ocean, the North Atlantic Oscillation (NAO) climate index that is air pressure index is examined. To determine the characteristic of climatic activity in the South Pacific Ocean, the Southern Oscillation Index (SOI) which is air pressure index is examined. In addition, to examine the effect of radiation from the Sun on climate events in the Earth, Sunspot Number (SSN) climate index is also examined. 
In the first stage of thesis, periods of data sets of NAO, SOI and Sunspot Number are determined by separately. For determining periods of data sets, autocorrelation method, periodogram analysis, modified periodogram analysis, and Welch's method are used. Moreover, the relationship between climate indicators is investigated by using cross correlation method. Afterwards, time-frequency transform analysis of data sets of NAO, SOI and Sunspot Number are examined by using Wigner-Ville Transformation (WVD). Thus, it is possible to observe the signal simultaneously in both time and frequency domain. The correlation between climate indicators is investigated in the time-frequency domain by using the Cross Wigner-Ville Transformation (XWVD) method. In the last part of thesis, a dynamic system model between Sunspot Number, NAO and SOI climate indexes is defined by using Canonical Correlation Analysis method. Thus, the relationship between climatic movements is tried to be modeled. As a result of the analyses, climatic movements in the North Atlantic Ocean and the South Pacific Ocean are tried to characterize and effects of these movements on the Earth are examined.
As a result of the period analysis, it is observed that most of the dominant periods observed in North Atlantic Oscillation and South Oscillation are common periods. In addition, it is determined that the all periods in the two oscillations are within the periods of the Sunspot data set. In cross-analysis results, it is observed that the climatic movements in the North Atlantic Ocean and the South Pacific Ocean are related to each other. As a result of the cross-correlation analysis performed with the Sunspot data set, it is observed that the Sun is effective on two oscillations. It is obtained as an important result of the thesis study that the Sun is a fundamental phenomenon affecting the two oscillations. As a result of the Wigner-Ville Transformation of the Sunspot Number data set, it is observed that the energy density on the solar surface increases and decreases periodically. As a result of the Wigner-Ville Transformation of the North Atlantic Oscillation data set, it is determined that dates with high energy density correspond to strong North Atlantic Oscillation phases. As a result of the Wigner-Ville Transformation of the South Oscillation Index data set, it is observed that the dates with high energy density correspond to important El-Niño and La-Niña phases that affect the Earth climate.