İstanbul'daki şehirleşmenin kar yağışına etkisi
The impact of urbanization in istanbul on snowfall
Yazar: SİMLA İŞLER
Danışman: PROF. DR. ÖMER LÜTFİ ŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Avrasya Yerbilimleri Enstitüsü / İklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı / Yer Sistem Bilimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Meteoroloji = Meteorology

Özet:
Şehirleşme, özellikle gelişmekte olan ülkelerde, dünyaya hızla yayılan en önemli arazi kullanımı değişikliklerden biridir. Yakın gelecekte, dünyadaki insanların çoğunluğunun, bugüne kadar insan toplumunun çoğuna ev sahipliği yapan kırsal alanların aksine, kentsel ortamlarda yaşayacakları öngörülmektedir. Şehirleşme değistirdiği atmosferik yapı nedeniyle hava tahmininde, yağışların cinsleri ve miktarında, ve ısı bütçesinin hesabında önemli rol oynar. Şehirleşme beraberinde bir takım sorunlar getirmektedir. Bunlardan en önemlisi şehirleşen bölgenin ikliminin değişmesidir. Şehirleşen bölgelerde yeşil alanların ve buharlaşma yüzeylerinin azalması, asfalt yüzeylerin ve inşa edilen binaların artması sonucu meteorolojik parametreler değişmektedir. Örneğin yer tarafından soğurulan kısa dalga boylu radyasyon   sonucu sıcaklıklar 30%'a kadar artabilmektedir. Bu değişim sonucunda şehirlerde, bölgesel iklim ve hava olayları değişikliği yaşanmaktadır. Kentsel alanlar ile çevresindeki yarı- kırsal ve kırsal alanlar arasındaki bu iklimsel farklılıklar, şehir ısı ada etkisi olarak adlandırılmaktadır. Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) verilerine göre, Türkiye'de şehirlerin nüfusu hızla artmaktadır. Bu durumun en büyük sebebi, artan sanayileşme ve kırsaldan kente olan göçlerdir. Türkiye'nin nüfus artışının en fazla olduğu ve en kalabalık kenti İstanbul'dur. TÜİK 2018 verileri incelendiğinde, İstanbul ilinde metrekareye düşen kişi sayısı 2900'dür. Bu sayı İstanbul ilini, diğer bölgelere nazaran en yoğun nüfus oranına sahip kent yapmaktadır. Nüfusun hızla artması, beraberinde şehirleşmeyi de getirmiştir. Şehirleşme sonucunda insan yaşamını  dolaylı olarak etkileyenen önemli iklim parametrelerinden biride yağıştır.  İstanbul'un etrafı Marmara Denizi ve Karadeniz ile çevrilidir. İstanbul'da meydana gelen kar yağışları, konumu ve meteorolojik koşullar sebebi ile genellikle denizden etkilenen kar yağışlarıdır. Deniz etkili kar yağışını tanımlayacak olursak; soğuk hava kütlesinin sıcak deniz veya göl üzerinden geçmesi ile nemlilik kazanması sonucu yağışların normalden şiddetli olmasıdır. Bu durumun oluşabilmesi için belli bir takım koşulların sağlanması gerekmektedir. Bunlar, deniz suyu sıcaklığı ile yukarı atmosfer arasındaki kararsızlığın meydana gelmesi, yer ve bulut tepesi civarındaki rüzgarların yönlerinin çok değişmemesi ve son olarak nemli havanın minimum %80 oranında taşınabilmesidir.  Bu çalışmada, İstanbul'da 2000, 2004 ve 2012 yıllarında meydana gelen kar yağışı hadiseleri, Weather Research and Forecasting (WRF) modeli ile simüle edilmiştir. WRF modeli simüle edilirken, ERA 5 yeniden analiz verilerinin 1979'dan günümüze kadar olan basınç seviyeleri hakkındaki saatlik verileri ve 1979'dan günümüze kadar olan yüzey ve atmosfer katmanları için veri setleri kullanılmıştır. 2004 yılına ait hadise hariç diğer olay yıllarına ait Coordination of Information on the Environment 
xxii 
(CORINE) arazi örtüsü verileri model altlığı olarak kullanılmıştır. 2004 yılına ait CORINE arazi örtüsü altlığı bulunmaması sebebiyle, 2004 yılında gerçekleşen hadise yılına en yakın yıl olan 2006 yılına ait arazi örtüsü kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar, Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM)'nden alınan gözlem verileri ile birlikte değerlendirilmiş ve model tutarlık analizi yapılmıştır. Şehirleşmenin kar yağışına olan etkilerini değerlendirmek adına, CORINE arazi örtüsü verileri ARCGIS programına aktarılmış, her bir hadise yılının şehir örtüsü, 1990 yılı baz alınarak azaltılmıştır. Seçilen şiddetli kar yağışı hadiseleri, hem kendi yılına ait arazi örtüsü ile hemde yeniden derlenen, şehir yapısının az olduğu arazi örtüsü ile simüle edilmiştir. Yapılan bu simülasyonlar ile şehir örtüsünün kar yağışına etkisi olup olmadığı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, hem kendi aralarında hem de gözlem verileri ile karşılaştırılmıştır.  Model tutarlılığını doğrulamak adına, Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden alınan saatlik sıcaklık verileri ile WRF modelinden elde edilen sıcaklık verileri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonucunda, model ve gözlem verilerinin maksimum mutlak farkı 2ºC civarında olup birkaç derecelik farklılıklar haricinde tutarlı sonuçlar gösterdiği görülmüştür. Bu durum, modelin gözlem verileri ile tutarlı olduğunu ve modelde kullanılan parameterizasyonların doğru seçildiğini göstermektedir.  İstanbul'daki şehirleşmenin kar yağışına etkisi konulu çalışmanın analizleri yapılırken, öncelikli olarak WRF modeli kullanılarak, şehirleşmenin olduğu ve şehir örtüsünün azaltıldığı her iki altlık için oluşturulan sinoptik haritalar incelenmiştir. İncelemeler sonucunda, sinoptik haritalarda gözle görülebilir bir farklılık olmadığı sonucuna varılmıştır. Buna ek olarak, her iki altlık kullanılarak Skew-T diyagramları çizdirilmiştir. Skew-T diyagramlarında da, sinoptik haritalar da olduğu gibi çok büyük farklılıklar görülmemiştir. Genel olarak benzer grafikler elde edilmiştir.   Şehirleşme analizi sonucunda, şehir örtüsü olan yerlerin, şehirleşmemiş yerlere ait yüzey sıcaklıklarına göre birkaç derece daha fazla sıcaklık değerine sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Sıcaklığın daha yüksek olması, kar su eşleniği değeri, fiziksel kar kalınlığı ve karla kapla alan değerinin şehirleşmenin olduğu duruma kıyasla daha düşük olmasına sebebiyet vermiştir. Yapılan simülasyonlar da bu bağlamda tutarlı sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, şehirleşme kar yağışını olumsuz yönde etkilemektedir; ancak şehirleşmenin toplam yağışa etkisinin daha detaylı incelenmesi gerekmektedir.

Abstract:
Urbanization affects local atmosphere physcially and dynamically, as well as biologically. For example, it results in increasing heat, modified wind flow, and more pollution. This is seen more often  in developing as well as well developed countries.  Urbanization effect on ecosystem in the future will be seen more often; therefore, its impact needs to be studied in more details.   
The meteorological parameters such as temperature change as a result of reduced green areas and evaporation surfaces, and increased asphalt surfaces and number of buildings.  Temperature, vapor mixing ratio, and wind speed usually increas with urbanization factor. Compared to rural areas, temperature in cities shows a significant increase due to several reasons such as decrease of albedo (increased absorption)  and increase evapotranspiration and anthropogenic pollution. Therefore, urbanization affects the local climate adversely and creates a heat island over the city. This effect leads to an increase in the observed boundary layer temperature. The temperature difference between cities and rural areas reaches maximum when sky is free of clouds because of outgoing infrared radiation.  
The heat island effect can be influential up to 800 meters depending on thermal inversion layer height and mixing of air due to turbulence. This causes mega cities to create their own thermal zones. Istanbul, with a population of about 15 million  people, is the most important mega-city in Turkey. Located between Çatalca and Kocaeli parts of Marmara region, Istanbul resides at 28° 58' E latitude and 41°01' N longitude. It is located at the region where the continents of Europe and Asia join together, and it is surrounded by the Marmara Sea and  Black Sea.  
The average annual temperature in Istanbul is 14.1 °C. The average annual rainfall is around 747 mm. The climate of Istanbul is classified as Csa on the basis of Köppen- Geiger climate classification, which has generally warm summers and mild winters due to its location and meteorological conditions, the snowfall conditions over Istanbul is generally complex in the nature, and is affected by the sea surface temperature. Snowfall usually happens when cold air flows over the warm sea and therefore gains moisture resulting in more severe precipitation compared to the average precipitation amount. Certainly atmospheric stability plays a large impact on the intensity of thermal instability. During the winter months in Istanbul, the facades that are formed as a result of the interaction of polar air mass from the north and mid-latitude air mass from the south cause precipitation. In winter, precipitation occasionally reaches the ground in the form of snow (20% of time). The sea effect is formed as a result of the temperature difference between the sea water and land surface temperatures that cause snowfall to become more intense. 
xxiv  
In this study, effects of snowfalls on three different time periods, including 18-25 January 2000, 22-23 January 2004 and 20 January-1 February 2012 were simulated with  Weather Research and Forecast (WRF) numerical model. The data sets analyzed in this study include meteorological observation data obtained from the General Directorate of Meteorology (MGM) and ERA5 analysis data obtained from the European Center of Medium Weather Forecast (ECMWF). The main observed parameters  are temperature, snow thickness, pressure and daily rainfall. These observation data were used in model output validations. The ERA5 data are used at the surface level and also in pressure heights that represent time period from 1979 to date. The ERA5 data which has a horizontal spatial resolution of 28 km with a vertical resolution of 38 levels and 1 hour time step  is used in WRF simulations. In addition to this, Coordination of Information on the Environment (CORINE) land cover data for the years of the event was used as as land cover map in the model.   
The main goal of this work is to study the effect of urbanization in metropolitan Istanbul on the snowfall amount. In order to evaluate the effects of urbanization on snowfall, the CORINE land cover data were transferred to the ARCGIS program and the representation of the city coverage  of each event was interpolated to the level of  1990. The selected heavy snowfall events were simulated using boundary conditions representative of  before and after urbanization conditions. Then, the results were compared to the observational data. With these simulations, it was investigated whether the city cover had an effect on snowfall. The results were compared with each other and with the observation data.  
In order to verify the consistency of the model, hourly temperature data obtained from the General Directorate of Meteorology and temperature data obtained from the WRF model were compared. As a result of the comparisons, the maximum absolute difference of the model and observation data was around 2ºC and showed consistent results with the exception of several degrees of difference. This shows that the model is consistent with the observation data and that the parameterizations used in the model are selected correctly.  
While analyzing the impact of urbanization in Istanbul on snowfall, firstly WRF model was used to analyze the synoptic maps for both less urbanization and urbanization situations. As a result of the investigations, it was concluded that there is no visible difference in synoptic maps. In addition, Skew-T diagrams were plotted using both bases. Skew-T diagrams, as in synoptic maps did not show very large differences. In general, similar graphics were obtained. As a result of the urbanization analysis, it is concluded that the places with urban cover have a temperature of a few degrees higher than the surface temperatures of the non urban areas. Where the temperature is higher, the snow water equavalent value, the physical snow thickness and the snow-covered area value are lower in urbanization cases. The simulations have also provided consistent results in this context. As a result, urbanization adversely affects snowfall; however, the impact of urbanization on total precipitation needs to be examined in more detail.