Statistical challenges in paleoclimatology: independent component analysis of lake hazar and Lake Van data, and a bayesian test for 4.2 ka bp event

Kuaterner geçmişş iklim çalışmaları, özellikle istatistiksel ve sayısal yöntemler açısından birçok probleme sahiptir. Ben bu tez kapsamında var olan iki paleoiklim problemineüç farklı çalışma ile çözüm önermekteyim. Kuaterner çalışmalarında, sahadan alınan karot boyunca ölçülen jeokimyasal verilerin, özellikle XRF ölçümleri sonucunda elde edilen element profillerinin, birçok farklı süreç tarafından kontrol edildiği bilinmektedir. Bu sebepten ötürü, verilerdeki farklı süreçlerebağımlılık durumunu bertaraf etmek amacıyla birçok çalışmada bu veriler birbirleriylenormalize edilerek kullanmaktadır. Bazı çalışmalarda ise ikinci dereceden istatistiksel yöntemlere dayalı boyut küçültme teknikleri kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden en yaygın kullanılanı temel bileşenler analizidir. PCA'nın temel amacı varyansımaksimize eden ekseni bulup, diğer eksenleri de bu eksene ve birbirlerine ortogonalve sıralı bir şekilde varyansı en büyükten küçüğe doğru sıralamaktır. Bu yöntem, eğermaksimal varyansı ifade eden eksene dair bir hipotez varsa veya verideki gürültüdenkurtulmak isteniyorsa kullanışlıdır. Kullanırken de yöntemin dayattığı, verilerin normal dağılımlı olması gerekliliği ve/veya veriler arasındaki yüksek lineer korelasyonunsonuçları taraflı vereceği gibi kısıtlamalara dikkat etmek gerekir. İlk iki çalışmadaHazar Gölü ve Van Gölü jeokimya verilerine uyguladığımız bağımsız bileşen analizi yöntemini boyut küçültme yöntemlerine alternatif olarak önermekteyiz. Üçüncü çalışmada ise, günümüzden 4.2 ka önce gerçekleştiği iddia edilen ani iklim değişikliğinidestekleyen veriler üzerinde Bayesçi test uygulanmıştır. Bu çalışmanın önemi, 2018 yılı içinde Orta/Üst Holosen için stratigrafik sınır olarak kabul edilmiş iklim değişimine dair nicel bir test olmasıdır. Hazar Gölü, güneydoğu Anadolu'da, deniz seviyesinden 1255 m yüksekte yer alan tektonik bir göldür. Bölge karasal Akdeniz iklim özellikleri göstermektedir. Yıllıkyağışın önemli bir bölümü ilkbahar ve kış aylarında gözlemlenmektedir. HazarGölü'nden, 2009 yılında 3.8 m uzunluğunda alınan karotta (Hz11-P03) -XRF, duraylıizotop ( 18 O ve 13 C) ve manyetik duyarlılık ölçümleri yapılmıştır (Chapter 2). Karottabelirlenen altı farklı noktadan radyokarbon ölçümleri alınmıştır. Gözle görülen birhiatusun da varlığı dikkate alınarak Bayesçi yöntemlerle elde edilen yaş-derinlikmodeline göre karot günümüzden önce son 17.3 ka yılı kapsamaktadır. Bölgeningeçmişş iklim parametrelerini ortaya çıkarabilmek adına -XRF verileri üzerine ICA uygulanmıştır (Chapter 2). ICA, PCA sonuçlarından farklı olarak, sıralı sonuçlar vermemektedir. Bu sebepten ötürü, ICA sonuçlarından elde edilen altı bağımsız bileşenden yağış ve sıcaklık eğrilerini elde edebilmek için iyi tanımlı iklim verileri, NGRIP 18 O ve Sofular 13 C, ile bağımsız bileşenler arasındaki uzaklık korelasyonların ölçüsüne bakılmıştır. Uzaklık korelasyonunun lineer korelasyon ölçülerine göre farkı, aykırı değerlerle baş edebilmesi ve lineer olmayan ilişkileri de yakalayabilmesidir. Elde edilen uzaklık korelasyonu sonuçlarına göre, iki bağımsız bileşenin bölgenin sıcaklığını (Hz-ic5) ve yağışını (Hz-ic4) temsil ettiği düşünülmektedir. Buna göre bölge 17.3 ka BP ve 14.8 ka BP arasında yağışlı ve soğuk, ancak Bolling-Allerod döneminde yağışlı ve sıcaktır. Younger Dryas karotta bir hiatusile temsil edilmektedir. Bu dönemde göl seviyesinin düştüğü ve bölgenin kurak olması gerektiği söylenebilir. Holosen başında sıcaklıklar kademeli olarak artış göstermiş ve bunun neticesinde yaklaşık 8 ka BP civarında Holosen 'normallerine' ulaşmıştır. Ancak, Erken Holosen'de bölge yağışlıdır. 8 ka BP ve 5 ka BP arasında bölge ılık ancakkuraktır. 5 ka BP ve 3.5 ka BP arasında bölge ılık ve yağışlı özellikler göstermektedir. Bundan sonraki dönemde üç tane kısa süreli soğuk ve kurak dönem gözlenmektedir. Bunlar yaklaşık 3.5 ka BP, 2.8 ka BP ve 1.8 ka BP dönemlerine denk gelmektedir. MS ve 13 C sonuçları yağış sonuçlarını destekler niteliktedir ancak 18 O sonuçları birden fazla sürece bağlı olduğundan bu çalışmada yorumlanamamıştır. Van Gölü, Doğu Anadolu'da deniz seviyesinden 1650 m yükseklikte yer alan, dünyanın en büyük sodalı gölüdür. Bölgenin iklimi Hazar Gölü ve çevresine benzemektedir. Karasal Akdeniz iklimi ile karasal iklimin sınırında olduğu iddia edilmiştir. Tektonik bir çöküntü olan havzadan ICDP projesi kapsamında bölgenin geçmişş ortam değişimlerinin araştırılması amacıyla, sondajla çökel istifi çıkarılmıştır. Bu çökellerden elde edilenvekil verilerle halihazırda geçmişş iklim rekonstrüksiyonları yapılmıştır. Bunun yanında, Van Gölü çevresinde gözlemlenen taraçalar ve bunların yaşları gölün seviyesinin Son Buzul Maksimum'da bugüne göre yaklaşık 80 m daha yukarıda olması gerektiğini göstermiştir. Ancak ICDP projesi kapsamında yapılan bazı rekonstrüksiyonlar, gerekoluşturdukları veri tabanlı modellere göre, gerekse de kullanılan bazı dinamik iklimmodellerine göre bölgenin bu dönem kurak olması gerektiğini ve su seviyesininbugüne göre belki de 200 m kadar aşağıda olması gerektiğini öne sürmüşlerdir. Bu ikileme çözüm önermek adına (Chapter 3) Van Gölü, Ahlat Sırtından sondajla alınmışçökel istifi verilerine, bu veriler, XRF'ten elde edilmiş Ca, Fe, K, Mn, Si sayımları, toplam organik karbon ve CaCO 3 ölçümleri ve B değerleridir, ICA uyguladık. Bu veriler günümüzden önce 250 ka temsil etmektedirler. Ancak, Hazar Gölü çalışmasından farklı olarak bu çalışmada ICA uygulamadan önce, ölçümhatasaından kaynaklanabilen, 'en aykırı' değerleri veriden temizledik. Bunun ardından, ICA bileşenleri başlangıçta rastgele seçilen birim vektöre göre küçük farklılıklargösterebildiğinden, başlangıç vektörünü 250 kere değiştirerek kısmen farklı sonuçlar elde ettik. Bu sonuçları birbirlerine olan uzaklıklarına göre kümeleyip olası bağımsız bileşen sayısını tespit ettik. Buna göre, anlamlı sekiz bağımsız bileşen belirledik, ve her bir küme içerisinde toplam benzerliği en yüksek olan bileşen kullanılmak üzere seçildi. Bu sekiz bileşenin karşılıklı bilgi benzerlik ölçüsüyle NGRIP 18 O ve analize girilen verilerle benzerliklerini kontrol ettikten sonra bu bileşenlerden bir tanesinin (Van-IC8) bölgenin geçmişş sıcaklık değişkenliğine, bir diğerinin ise(Van-IC7) bölgenin geçmişş yağış değişkenliğine karşılık geldiğini iddia etmekteyiz. Elde edilen sonuçlara göre, bölgenin sıcaklığı kuzey yarımküre için sıcaklık eğrisidenebilecek NGRIP 18 O eğrisine benzemektedir, buzul dönemleri soğuk ve buzularasıdönemler ılık geçmektedir. Buzul dönemler içindeki ani ısınma ve kademeli soğumaolayları sıcaklık eğrisinde gözlemlenmektedir. Yağışeğrisi ise, daha önce ortaya koyulan modellerden farklı nitelikler göstermektedir. Buzullaşmanın maksimum olduğu dönemlerde bölge yağışlıdır. Buzularası dönemlerin başında yağışlı ancak devamlarında ise kurak bir dönem göstermektedir. Yağış eğrisibölgedeki Son Buzul Maksimum'da oluşmuş taraçalara da cevap vermektedir. Akad İmparatorluğunun günümüzden 4.2 ka önce ani bir iklim değişikliği ile çöktüğü iddia edilmektedir. Bu hipotez ortaya atıldıktan sonra dünyanın farklı yerlerinde bu hipotezi destekleyen deliller gözlemlenmiştir. Yakın zamanda bu olay jeolojik zaman çizelgesinde Orta Holosen ve Geç Holosen için bir sınır olarak kabul edilmiştir. Bu ani iklim değişikliğini temsil ettiğini iddia eden deliller geneldepaleoortam vekili olan zaman serileridir. Ancak bu zaman serilerinin varolduğuiddia edilen iklim değişikliğine gösterdikleri tepkiler ve bu tepkilerin geometrileribirbirlerinden oldukça farklıdır. Ani iklim değişikliği hipotezini destekleyen verilerdenbaşka, bu değişikliği desteklemeyen veriler de mevcuttur. Biz bu çalışma kapsamında Doğu Akdeniz'de ve Arap Yarımadası etrafında ani değişimi gösterdiğini iddia eden zaman serilerini, ani iklim değişikliği göstermeyen zaman serileri ile günümüzden önce 4.4 ka yılına kadar sentetik olarak yeniden oluşturup, sentetik veriyi geleceğeekstrapole ettik (Chapter 4). Verileri sentetik olarak oluştururken Bayesyen Yapısal Zaman Serileri yöntemini kullandık. Günümüzden önce 4.4 ka ve 3.9 ka arasında, sentetik olarak oluşturulmuş zaman serisi ile gerçek zaman serisi arasındaki farka tek taraflı Bayesçi hipotez testi uygulayıp zaman serisindeki etkinin anlamlılığını test ettik. Buna göre, test edilen verilerden hipotezi desteklediğini iddia eden bazı zaman serilerianlamlı bir etki göstermektedir. Bir kısmı ise iddia edilen etkiyi göstermemektedir. Üçüncü grup veri kümesinde ise, etki gözlemlenmesine rağmen etkiden sonra zaman serilerinde seviye kayması gözlemlenmiştir. Bunun sebebi, ya aslında zaman serisi üzerinde düşünüldüğü gibi bir etki yoktur, ya da iddia edilen etki vekil veri üzerinde kalıcı bir etki bırakmıştır.