Uzun dönemde meydana gelen Akdeniz ve Karadeniz'deki deniz seviyesi değişimlerinin boğazlar sistemi üzerindeki etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of long term sea-level variations in the Mediterranean and the Black Sea on the Turkish straits system
Yazar: CEM ŞENDURAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET SEDAT KABDAŞLI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Meteoroloji = Meteorology ; İstatistik = Statistics
Dizin: Akdeniz = Mediterranean ; Boğazlar = Straits ; Deniz seviyesi = Sea level ; Eğilim = Tendency ; Karadeniz = Black Sea

Özet:
Küresel ısınma ve etkileri, günümüzde akademik çalışmalar açısından sıcak konular arasında yer almaya devam etmektedir. Küresel ölçekte deniz seviyelerinde meydana gelen yükselme ise küresel ısınma olayının en önemli sonuçlarından biridir. Küresel deniz seviyelerinde artan bir eğilimin varlığı bir çok uluslararası kurum tarafından yayımlanan raporlarda ortaya konmuştur. Bununla birlikte, yerel ölçekte deniz seviyeleri küresel eğilime göre farklı davranışlarda bulunabilmektedir. Ülkemizi çevreleyen Karadeniz ve Akdeniz, sularının fiziko-kimyasal özellikleri ve hidrolojik döngüleri bakımından birbirlerine göre oldukça farklı yapıdadır. Birbirlerine Boğazlar sistemi ile bağlı olan bu denizlerin su seviyelerinde meydana gelecek değişimler boğazlar aracılığıyla meydana gelen karşılıklı akımları da etkileyecektir.
Tez çalışması kapsamında, her iki denizde seçilmiş gelgit izleme istasyonlarına ait su seviyesi verileri elde edilmiştir. Veriler, zaman serisi şeklinde kaydedilen aylık ortalama deniz seviyesi kayıtlarıdır. İstasyonların seçiminde kriter olarak veri setlerinin kapsadığı tarih uzunlukları ve veri bütünlükleri kullanılmış, 30 yıldan az süre kapsayan veya çok fazla sayıda eksik ölçüm içeren istasyonlar elenmiştir. İstasyonlar Akdeniz'de (Ege) Dedeağaç, Selanik, Sire, Suda (Hanya), İleryoz ve Sakız; Karadeniz'de ise Burgas, Varna, Köstence, Sivastopol, Tuapse ve Poti olarak seçilmiştir. Seçilen Karadeniz istasyonları tarih olarak Ege istasyonlarına göre çok daha uzun yılları kapsıyor olsa da Tuapse ve Poti hariç tümünün bitiş tarihleri 1994-1997 arasındadır. Ege istasyonlarının çoğu güncel veriye sahiptir. Ancak Suda (2011) ve Sakız (2015) verisetleri nispeten erken sonlanmaktadır.
İncelenen deniz seviyesi zaman serilerinin her iki denizi de etkileyen hidrometeorolojik parametrelerle olan ilişkisini ortaya koymak üzere hem deniz seviyesi izleme istasyonlarına ait meteorolojik gözlem verileri hem de Karadeniz ve Akdeniz üzerinde alansal olarak hesaplanmış uzun dönem modelleme sonuçları kullanılmıştır. Bahsi geçen hidrometeorolojik parametrelere ait veriler arasında NOAA'ya ait gözlem sonuçları, Global Nehir Debisi Veritabanı (RivDIS) gözlemleri, Copernicus Climate Change Service (C3S) tarafından geliştirilen ERA5 modeli, Karadeniz ve Ege'ye ulaşan yüzeysel akımı hesaplayan G-RUN ENSEMBLE modeli, NOAA PSL tarafından sunulan deniz yüzeyi sıcaklık verileri, IPCC AR5 verisetlerinin RCP4.5 senaryosu çıktıları değerlendirmeye alınmıştır.
Denizlerdeki ortalama seviyenin eğilim durumunu detaylı biçimde incelemek üzere hem Ege hem de Karadeniz'deki istasyonlarda 20'şer yıllık bir taban periyodu seçilerek, bu 20 yıllık periyotta her aya ait ortalama deniz seviyesi hesaplanmıştır. Bu 20 yıllık ortalamalar referans seviye olarak belirlendiğinden genel veri setlerinden tek tek her istasyonun ortalama değerleri çıkarılarak deniz seviyesi anomalileri hesaplanmıştır. Bu anomaliler üzerinde lineer regresyonla deterministik eğilimler ve Loess düzleştirmesi hesaplanmıştır. Deterministik eğilim hem tüm zaman serisini kapsayacak şekilde hem de zaman serisinin kapsadığı yıl aralığındaki Kuzey Atlantik Salınımı (NAO) İndisi kırılma yıllarına göre ortaya çıkan segmentlere ayrılarak çizilmiştir. Ege istasyonları 2'şer segmente, Karadeniz istasyonları ise zaman serilerinin 1993 öncesinde sonlanması nedeniyle Tuapse hariç 2'şer, Tuapse'de ise 1993'te meydana gelen kırılmadan günümüze kadar olan süreci kapsayacak şekilde 3 segmente ayrılmıştır.
STL ayrıştırması sonuçlarına göre Loess düzleştiricilerinin her bir istasyon için veri seti bitiş ve başlangıçları arasında pozitif farklar bulunmuştur (Sire ve Suda istasyonları dışında). Ayrıştırmadan elde edilen mevsimsellik bileşeni sonuçları incelendiğinde Ege istasyonlarında mevsimsel en yüksek değerlerin Ağustos ayında (yalnız Dedeağaç'ta Kasım), Karadeniz'de ise 4 istasyonda Haziran (Burgas, Varna, Sivastopol, Poti), Köstence'de Mayıs, Tuapse'de Temmuz ayında ortaya çıktığı görülmüştür. Mevsimsel en düşük değerler ise Akdeniz istasyonları için Mart ayında (yalnız İleryoz için Nisan), Karadeniz istasyonları için ise Ekim ayında (yalnız Burgas ve Poti için Kasım) ortaya çıktığı tespit edilmiştir. Zaman serilerinin üçüncü bileşeni olan kalıntılar (rastgelelik) incelendiğinde, incelenen istasyonların hiç birinde belirgin bir eğilim ya da desen bulunmadığı belirlenmiştir.
FFT işlemi sonucunda, incelenen tüm istasyonlarda kuvvetli 12 aylık periyodik hareket tespit edilmiştir. Karadeniz istasyonlarının tümünde bu 12 aylık kuvvetli periyodikliğin yanı sıra 6 aylık da nispeten zayıf periyodik hareket tespit edilmiştir. Ege istasyonlarında ise periyodiklikler Karadeniz'deki istasyonlara göre daha fazla çeşitlilik göstermiştir. Her 2 denizde ortak olan 12 aylık kuvvetli periyodikliğin yanı sıra, Dedeağaç istasyonunda orta kuvvette 6 aylık, Selanik istasyonunda zayıf 6 aylık, Sire istasyonunda zayıf 8 aylık, Suda istasyonunda zayıf 10 aylık, Sakız istasyonunda ise zayıf 9 ve 10 aylık periyodik hareketler ortaya çıkarılmıştır. Karadeniz'de tespit edilen periyodikliklerin birbirine benzemesinin nedeni, denizin hidrolojik olarak nehir akımları tarafından yönetilen kapalı bir sistem olmasıdır. Ege'de görülen farklı periyodik hareketlere ise hem kuzeyden boğazlar vasıtasıyla gelen Karadeniz akımının hem de Levanten baseninden gelerek Girit'in doğusundan Ege'ye giren akımın etkilerinin neden olması muhtemeldir.
Ege istasyonlarındaki deniz seviyelerine ait deterministik eğilimlerin tüm zaman aralığı ele alındığında tamamının pozitif yönlü oldukları görülmektedir (Sire istasyonu hariç). Kapsanan tarih aralıkları NAO İndisi kırılması yaşanan 1993 öncesi ve sonrası olarak 2'şer segmente ayrılarak incelendiğinde ortaya çıkan durumda, birinci segmentte Dedeağaç (-2,5 mm/yıl), Sire (-7,4 mm/yıl), Suda (Hanya) (-4,8 mm/yıl) istasyonlarında deniz seviyesi anomalileri azalan bir eğilim çizgisi ile ifade edilmektedir. Selanik istasyonu için ilk dönem segmentinde uygulanan M-K, C-S ve S testlerinin hiçbirine göre istatistiksel olarak anlamlı bir eğilim bulunmamıştır. Yalnız İleryoz ve Sakız istasyonlarında her 2 segmentte birden pozitif eğilimler bulunmuştur. İleryoz istasyonunda hem her 2 segmentteki, hem de tüm dönemi kapsayan deterministik eğilimlere ait pozitif eğimler eşit büyüklükte bulunmuştur (1,6 ~ 1,7 mm/yıl). Sakız istasyonu ise ilk dönemde 1,2 mm/yıl, ikinci dönemde 4,5 mm/yıl eğimlerine sahiptir. Genel olarak Ege istasyonlarının tümünde 1993 yılı sonrasından günümüze kadar olan ikinci segmentlerde pozitif eğilimler tespit edilmiştir.
Veri setlerinin tam süresi bakımından Karadeniz istasyonlarında deniz seviyelerine ait deterministik eğilimlerin tamamının pozitif oldukları görülmektedir. Bu eğilimlere ait pozitif eğimler 1,1 mm/yıl (Varna) ile 2,3 mm/yıl (Tuapse) arasında değişmektedir. Zaman serilerinin başlangıcı ile 1967 yılındaki NAO İndisi kırılması arasındaki süreci kapsayan 1. segmentlerde, Burgas, Köstence ve Sivastopol istasyonlarında pozitif eğimli (sırasıyla 2,9 mm/yıl, 3,7 mm/yıl ve 1,4 mm/yıl) eğilim çizgileri tespit edilmiştir. Bu istasyonlara ait deniz seviyelerinde 1967-1993 yılları arasını kapsayan ikinci segmentlerde istatistiksel olarak anlamlı eğilimler bulunmamıştır. Tuapse istasyonu ilk 2 segmentte artan (sırasıyla 2,7 ve 3,7 mm/yıl) eğilimlere sahipken, 1993'ten günümüze kadar olan üçüncü segmentinde istatistiksel olarak anlamlı bir eğilim bulunmamıştır.
Karadeniz'de, Avrupa'da meydana gelen sıcaklık artışı nedeniyle buharlaşmada artış ve kuzeybatı şelfinde bulunan tatlısu kaynaklarının fazla kullanımı nedeniyle nehir akımı girdisinde azalma durumu birden fazla bilimsel çalışmayla ortaya konmuştur. Tuapse istasyonu deniz seviyesi kayıtlarının Karadeniz'deki durumu yansıttığı var sayılacak olursa, 1917'den günümüze kadar deniz seviyesinde artan bir eğilim çizgisi tespit edilmiş, ancak 1993'teki NAO İndisi kırılmasından günümüze kadar geçen sürede pozitif ya da negatif herhangi bir eğilim tespit edilmemiştir. Ege'de ise güncel durumu temsil eden ikinci segment eğilimlerinin tümünde artış tespit edilmiş olup bu artışların en küçüğü +1,6 mm/yıl (İleryoz istasyonu), en büyüğü +6,6 mm/yıl (Suda istasyonu) ve ortalaması 3,85 mm/yıl olarak hesaplanmıştır. Bu hesaplanan ortalama değer, WCRP Global Sea Level Budget Group tarafından 1993-2018 aralığı için hesaplanan küresel deniz seviyesindeki artışa (3,1 mm/yıl) yaklaşık bir değerdir.
Karadeniz ve Ege coğrafyası üzerindeki hidrometeorolojik parametrelerin NAO İndisi ile olan ilişkileri incelenerek, NAO İndisi ile tüm parametreler arasında (yağış, sıcaklık, buharlaşma, nehir akımı) negatif korelasyonlar bulunduğu tespit edilmiştir. Bunun anlamı NAO İndisi'nin mevcut durumdaki pozitif işaretli hareketi devam ettiği sürece, bahsi geçen parametrelerde azalma yönünde hareketlerin beklenmesidir. Karadeniz'in pozitif su bütçesinde herhangi bir artış ya da azalım eğilimi belirlenmemiş olmakla birlikte, Boğazlar sisteminden geçen az tuzlu Karadeniz suyundaki miktarın değişmemesi, Ege'den gelen tuzlu su miktarının ise zaman içerisinde deniz seviyesinde tespit edilen artış eğilimi nedeniyle kısmen artması beklenmektedir. Bu durum boğazlardaki alt akım katmanının kalınlaşması ve zaman içinde Karadeniz'de tuzluluğun artmasını beraberinde getirecektir.
Yağış ve buharlaşma için elde edilen model sonuçlarına göre azalacağı tespit edilen net akı yüzünden Karadeniz'de meydana gelen pozitif tatlısu bütçesinin uzun dönemde bir miktar azalması, buna bağlı olarak da Karadeniz'den İstanbul Boğazı'na girişteki su seviyesi ile Ege'den Çanakkale Boğazı'na girişteki su seviyesi arasındaki kot farkının zaman içerisinde azalması beklenmektedir. Özellikle son NAO İndisi kırılmasından sonra günümüze kadar olan dönemde Karadeniz su seviyesinde istatistiksel olarak anlamlı bir eğilimin ortaya konamaması nedeniyle, hesaplanan ortalama eğilimler üzerinden geleceğe yönelik bir projeksiyon yapmak güvenilir sonuçlar sağlamayacaktır.

Abstract:
Global warming and its effects have continued to be among the hot topics for the academics to this day. The global sea-level rise is one of the major consequences of global warming. The existence of an increasing trend in the global sea-levels has been made public by several international institutions in their reports. On the other hand, the regional sea-level variations can vary from the global trend. The Black Sea and the Mediterranean, surrounding our country, differ from each other in terms of the physico-chemical properties of their waters and their hydrological cycles. The sea-level variations in these seas, connected to each other through Turkish Straits, will eventually affect their counter currents towards one another.
Sea-level data of selected tide gauge stations in both seas were obtained within the scope of this study. The data consists of monthly mean sea-levels recorded in a time series format. The tide gauge stations were selected based on data record lengths and the completeness of the datasets. The tide gauge stations having records less than 30 years or containing too many data gaps are eliminated in the selection process. The selected stations are Alexandroupoli, Thessaloniki, Syros, Soudha, Leros and Chios in the Mediterranean (Aegean), and Burgas, Varna, Constanta, Sevastopol, Tuapse and Poti in the Black Sea. Even though the Black Sea stations cover a longer time span of records, their end dates are between 1994-1997 except Tuapse and Poti. Mediterranean stations generally cover up-to-date records, but Soudha (2011) and Chios (2015) data come relatively short.
In order to reveal the relationship of the examined sea-level time series with the hydrometeorological parameters affecting both seas, the meteorological observation data corresponding to the sea level monitoring stations and the long-term modeling results calculated spatially over the Black Sea and the Mediterranean were used together. Among the data of the mentioned hydrometeorological parameters, NOAA observation results, Global River Flow Database (RivDIS) observations, ERA5 model developed by Copernicus Climate Change Service (C3S), G-RUN ENSEMBLE model, which calculates the surface flow reaching the Black Sea and Aegean, sea surface temperature (SST) data presented by NOAA PSL, and RCP4.5 scenario outputs of IPCC AR5 datasets were evaluated.
In order to examine the average sea-level trend in detail, a base period of 20 years was selected for each one of the stations in the Aegean and the Black Sea, and the average sea-level for each month within this 20-year period was calculated. Since these 20-year averages were determined as reference, sea-level anomalies were calculated by subtracting the average sea-level values of each station from the general datasets. Deterministic trends by linear regression and Loess smoothings were calculated on these anomalies. The deterministic trend lines were drawn in a way to cover the entire time series as well as dividing the entire span of observations into segments according to the NAO Index shifting years in the time series. All of the Aegean time series are divided into 2 segments. Black Sea time series are divided into 2 segments for the time series ending before 1993, and 3 segments for Tuapse station, covering the period from the shift in NAO Index in 1993 to the present.
Positive differences between each station's end-date and start-date sea-level records were found for Loess smoothings obtained via STL decomposition (except for Syros and Soudha stations). The inspection of seasonality components reveals that seasonal highs for the Aegean stations occur in August (only for Alexandroupoli station in November), for the Black Sea stations in June (Burgas, Varna, Sevastopol, Poti), in May (Constanta), and in July (Tuapse). Seasonal highs take place in late summer in the Aegean, whereas in early summer in the Black Sea. The seasonal lows are calculated in March for the Mediterranen (only for Leros station in April), and in October for the Black Sea (in November for Burgas and Poti stations). The third component (randomness) of the time series decompositions, do not follow any trend or demonstrate any pattern as expected.
As the result of FFT applications, a strong periodicity of 12 months is detected in all of the stations. Along with the strong 12-month periodicity, a relatively weak periodicity of 6 months was detected in all of the Black Sea stations. The periodicities in the Aegean demonstrated variability in comparison to the Black Sea stations. Besides the common 12-month strong periodicity, a relatively strong periodicity of 6 months was detected in Alexandroupoli station, weak periodicity of 6 months in Thessaloniki station, weak periodicity of 8 months in Syros station, weak periodicity of 10 months in Souda station, and weak periodicities of 9 and 10 months in Chios station were detected. The periodicities of the Black Sea stations are similar to each other probably because of the closed hydrological regime which is dominated by river runoffs. On the other hand, the varying periodicities of the Aegean can be caused by the complexity caused by the Black Sea water influx from the north and the Levantine current entering the system through the east of Crete.
When the entire Aegean sea-level time series are considered, statistically significant positive trends were calculated for all stations (except for Syros station). When the time series were analyzed by dividing into 2 segments, covering the dates before and after 1993, which is when the shift in NAO Index took place, sea level anomalies were expressed with a decreasing trend line in Alexandroupoli (-2.5 mm/year), Syros (-7.4 mm/year), and Soudha (Chania) (-4.8 mm/year) stations in the first segment. There was no statistically significant trend according to any of the M-K, C-S and S tests applied in the first segment of Thessaloniki station. Increasing trends were found in both segments only in Leros and Chios stations. Positive trend line slopes of both segments and the trend line slope covering the whole period were found to be of equal magnitude at the Leros station (1.6 ~ 1.7 mm/year). Chios station has slopes of 1.2 mm/year in the first segment and 4.5 mm/year in the second segment. As a result, increasing trends have been detected in the second segments from 1993 to the present in all of the Mediterranean stations.
In terms of the entire sea-level time series, the deterministic trends of the Black Sea sea-levels are all determined to be positive. The positive slopes of these trends range from 1.1 mm/year (Varna station) to 2.3 mm/year (Tuapse station). In the first segments covering the period between the beginning of the time series and the NAO Index shift in 1967, trend lines with positive slopes (2.9 mm/year, 3.7 mm/year and 1.4 mm/year) were detected at Burgas, Constanta and Sevastopol stations, respectively. There were no statistically significant trends in the sea-level records of these stations in the second segments covering the years 1967-1993. While Tuapse station had increasing trends in the first 2 segments (2.7 and 3.7 mm/year, respectively), there was no statistically significant trend in the third segment from 1993 to the present.
The increase in evaporation in the Black Sea caused by the increase in temperature over European continent, and the decrease in river runoff input caused by the over exploitation of freshwater resources in the northwestern shelf of the Black Sea have been demonstrated by more than one scientific study. Assuming that the Tuapse station reflects the situation in the Black Sea, an increasing trend line from 1917 to the present was determined; whereas, no significant positive or negative trend was determined in the third segment. On the other hand, in the Aegean stations, positive trends have been detected in all of the second segments which correspond to the current situation. The smallest of these increases is +1.6 mm/year (Leros), the largest is +6.6 mm/year (Soudha), and the average is +3.85 mm/year. This calculated average value approximates the global sea-level rise (+3.1 mm/year) calculated by the WCRP Global Sea Level Budget Group for the 1993-2018 range.
By examining the relations of the Black Sea and the Aegean hydrometeorological parameters with the NAO Index, statistically significant negative correlations between NAO Index and all observed parameters (precipitation, temperature, evaporation, river flow) were determined. This means that, as long as the NAO Index sign remains positive, decreasing tendencies are expected in all of the aforementioned hydrometeorological parameters. Since no trend has been determined in the positive water budget of the Black Sea, the amount of less salty Black Sea water passing through the Straits is expected not to change, and the amount of salty water coming from the Aegean is expected to increase partially due to the expected rise in-sea level over time. This will lead to thickening of the lower current layer in the straits and an increase in salinity in the Black Sea over long term.
According to the future model results obtained for precipitation and evaporation, the net flux of fresh water is forecasted to decrease in the Black Sea; therefore, the positive freshwater budget in the Black Sea is anticipated to decrease slightly in the long term. Consequently, the level difference between the water level at the entrance to the Bosphorus from the Black Sea and the water level at the entrance to the Dardanelles from the Aegean is expected to lower over time. Making a projection for the future over the calculated average trends is not expected to yield reliable results, since a statistically significant trend could not be revealed in the Black Sea water level in the third segment of sea-level time series.