Türkiye Şiddetli Konvektif Fırtına Klimatolojileri, Çevre Koşulları Ve Etkileri

Abstract

Şiddetli konvektif fırtınalar, iri taneli dolu, hortum, şiddetli doğrusal rüzgârlar, şiddetli yağışlar ve yıldırımlar gibi pek çok zarar verici hadisenin kaynağıdır. Bu hava olayları dünyanın pek çok yerinde olduğu gibi ülkemizde de can ve mal kayıplarına neden olmaktadırlar. Küresel ölçekte artış gösteren sayıları ve neden oldukları can ve mal kayıpları nedeniyle şiddetli konvektif fırtınaların hem kısa vadeli olasılıksal tahminleri, hem de anlık tahminleri (nowcasting) oldukça önemlidir. Bu hadiselerin mevsimsel ve coğrafi dağılımlarının belirlenmesi, onları oluşturan çevre koşullarının anlaşılması ve tahmin edilebilmeleri için gerek şarttır. Başka bir deyişle, bu hadiselerin tahminlerinin iyileştirilebilmesi için öncelikle coğrafi, mevsimsel ve günlük dağılımlarını içeren veri setleri oluşturulmalıdır. Bu tez, öncelikli olarak “Türkiye Şiddetli Konvektif Fırtına Veri Tabanı”nın oluşturulmasına katkı sağlamaktır. Konvektif fırtınalar lokal ölçekleri nedeniyle genellikle geleneksel gözlem ağları tarafından yakalanamamaktadırlar. Bu nedenle hadiselerin oluşumlarının hangi bölgelerde yoğunlaştığını, hangi sıklıkta, hangi şiddette meydana geldiklerini, günlük ve mevsimlik dağılımlılarını belirlemek oldukça zordur. Dünyada şiddetli konvektif fırtına veri tabanlarının ve klimatolojilerin oluşturulmasının çok bileşenli ve kapsamlı çalışmalar olduğu görülmektedir. Bu hadiselere ait raporların tutulmasında başta meteoroloji birimlerinde çalışan gözlemciler olmak üzere, gönüllü meteorolojistler, medya muhabirleri gibi birçok bileşen rol oynamaktadır. Bu raporların toplanması için gazete ve haber ajansı arşivleri, sosyal medya gibi pek çok kaynaktan yararlanılabilmektedir. Bu araştırma kapsamında Türkiye iri taneli dolu ve şiddetli doğrusal rüzgâr klimatolojileri oluşturulmuştur. Tükiye’deki iri taneli dolu (≥1,5 cm) hadiselerinin farklı tipteki konvektif fırtınalarla ilişkili olduğu ve yılın her mevsiminde gözlemlenebileceklerini görülmüştür. Çok iri taneli dolu (≥4,5 cm) hadiseleri ise genellikle süperhücre fırtınaları ile ilişkilidirler. Coğrafi dağılımları ele alındığında ülke genelinde her yerde bu hadiselere rastlanabilmekle birlikte bazı küçük bölgesel farklılıklar dikkat çekmektedir. Örneğin, kış aylarında ülke genelinde seyrekleşen dolu hadiselerinin Akdeniz ve Ege kıyılarındaki frekansları nispeten yüksek kalmaya devam ettmektedir. Aylık dağılımlarına bakıldığında ise hadiselerin Mayıs ve Haziran aylarında iç ve özellikle doğu kesimlerde sıklıkla oluştukları görülmektedir. Ayrıca, öğleden sonra ve ikindi vakitleri iri taneli dolu oluşumunun en sık görüldüğü zaman dilimleridir. Şiddetli doğrusal rüzgârların büyük bir kısmı ise, yaz aylarında oluşmakla beraber bu hadiseler yılın her ayında gözlemlenebilmektedirler. En sık oluştukları ay Haziran ayı olarak belirlenmiştir. Fırtına süresi bilgisi içeren raporlar göstermektedir ki şiddetli doğrusal rüzgârların büyük bir kısmı 1 ila 3 saat arasında sürmektedir. Çalışmanın ikinci kısmı şiddetli konvektif fırtınaların toplum üzerindeki etkisine ilişkindir. Çalışma kapsamında Ocak 1930 ve Haziran 2014 yılları arasında Türkiye’de gerçekleşen yıldırıma bağlı ölüm ve yaralanmalara ait bir veri seti oluşturulmuştur. Veri seti, 898 ölüm, 150 ağır yaralanma ve 536 yaralanma ile sonuçlanan 745 olay içermektedir. Veri setinin homojen olmaması, geçmiş dönemler ve günümüz için raporlama ve mevcut raporların ulaşılabilirliği gibi farklılıklar nedeniyle uzun dönem ortalamalar anlamlı bilgi verememektedir. Geçmiş dönemdeki hadise sayısının azlığı büyük oranda elde edilebilen rapor sayısındaki azlıktan kaynaklanmaktadır. Son yıllara ait veriler ise şöyledir: 2014 yılı ölü sayısı (Ocak–Haziran) 25, yaralı sayısı 62; 2013 yılı ölü sayısı 26, yaralı sayısı 36; 2012 yılı ölü sayısı 31, yaralı sayısı 36. Yaklaşık nüfusu 73,7 milyon olan Türkiye için yıldırıma bağlı ölüm sayıları 2014 (Ocak- Haziran) için milyonda 0,34; 2013 için milyonda 0,35 ve 2012 için milyonda 0,42 olarak belirlenmiştir. Yaralı sayıları ise sırasıyla milyonda 0,86; milyonda 0,49 ve milyonda 0,49 şeklindedir. Yıldırma bağlı ölüm ve yaralanmaların ülke genelinde en sık görüldüğü dönem bahar sonu ve en az görüldüğü dönem ise kış aylarıdır. Gün içinde gerçekleşme saatlerine bakıldığında olayların büyük çoğunluğunun öğleden sonra, çok küçük bir kısmının da gece gerçekleştiği görülmektedir. Toplumun yıldırımdan en çok etkilenen kesimini tarım ve hayvancılık gibi açık hava faaliyetlerine katılanlar oluşturmaktadır. Olayların çoğu kırsal kesimde gerçekleşmiştir. Ayrıca erkek kurbanların sayısı kadın kurbanların sayısının neredeyse iki katıdır. Ağaç altında gerçekleşen ölüm ve yaralanmaların çokluğu toplumun yıldırımdan korunma yöntemleri konusunda bilinçsiz olduğunu göstermektedir. Rapora dayalı veri setleri şiddetli konvektif fırtına klimatolojileri için birincil kaynak olmakla birlikte bazı dezavantajlara sahiptirler. Konveksiyon kaynaklı zarar verici, iri dolu, hortum, şiddetli rüzgâr gibi hava hadiselerinin gözlemleri genellikle sübjektiftir. Nüfus dağılımındaki farklılıklar, günün hangi saatinde oluştukları ve raporlanmalarına ilişkin birçok parametreden şiddetle etkilenmektedirler. Bu nedenle bu hadiselerin bölgesel klimatolojilerinin oluşturulması, zaman içindeki değimleri, trendleri hakkında yargıya varmak oldukça güçtür (örn. Diffenbaugh vd. 2008). Bu konularda yorum yapabilmek için objektif yöntemlerle klimatoloji oluşturulması gerekmektedir. Dünyada objektif konvektif fırtına klimatolojilerinin oluşturulmasında reanaliz verilenin kullanıldığı görülmektedir. Daha önce yapılmış olan çalışmalar, şiddetli konvektif fırtınalar ve onlara ilişkin CAPE (Convective Available Potential Energy) ve düşey rüzgâr kayması gibi çevresel parametrelerin dağılımları arasında güçlü bir benzerlik olduğunu göstermektedir (örn. Brooks vd. 2003, Romero vd. 2007, Gensini ve Ashley 2011). Bu araştırmanın son aşaması olarak objektif bir şiddetli konvektif fırtına çevre koşulları klimatolojisi oluşturulmuştur. Bu klimatolojide 1979–2014 periyodu için mevcut olan ECMWF ERA-interim verisi kullanılmıştır. Klimatoloji yalnız Türkiye için değil, Avrupa, Orta Doğu ve Kuzey Afrika’yı içeren bir domain için üretilmiştir. Surface-based Convective Available Potential Energy (SBCAPE), Mixed-layer Convective Available Potential Energy (MLCAPE), Most Unstable Convective Available Potential Energy (MUCAPE), Surface-based Convective Inhibition Energy (SBCIN), Mixed-layer Convective Inhibition Energy (MLCIN), Most Unstable Convective Inhibition Energy (MUCIN), Surface-based Lifting Condensation Level (SBLCL), Mixed-layer (lowest 500m) Lifting Condensation Level (MLLCL), 0–6 km wind shear, 0–3 km wind shear, 0–1 km wind shear ve orta troposferik (700–500- hPa) lapse rate (LR7050) değerleri domain içerisindeki tüm grid noktalarında 35yıl için hesaplanmıştır. Ayrıca kompozit parametrelerin şiddetli konvektif fırtınaları tespit etmedeki başarısının müstakil parametreler karşındaki üstünlüğü bilindiğinden (örn. Davies ve Johns 1993, Johns vd. 1993, Craven ve Brooks 2004, Gensini ve Ashley 2011) MLCAPE ve 0–6 km wind shear çarpımlarına dayalı bir parametre yardımıyla şiddetli konvektif fırtınalarının bu coğrafyadaki proxy dağılımları incelenmiştir. Bölge üzerindeki CAPE dağılım paternlerinde ITCZ, Akdeniz, Kızıl Deniz ve Umman Denizi’nin yoğun etkisi görülmektedir. Bu etki sadece denizler üzerinde sınırlı kalmayıp, bu denizlere kıyısı olan karalar üzerinde de gerçekleşmektedir. CAPE değerlerinin mevsimsel salınımı çok belirgin bir döngü sergilemektedir. En yüksek CAPE değerleri yazın, en düşük CAPE değerleri ise kışın mevcuttur. Geçiş mevsimlerine bakıldığında CAPE değerlerinin Akdeniz, Kızıl Deniz, Umman Denizi ve çevrelerinde sonbaharda ilkbahara oranla daha yüksek olduğu görülür. Bu büyük su kütleleri yazın gerçekleşen maksimum seviyedeki güneşlenmenin ardından haftalarca sıcak kalarak sonbaharda bölge için önemli bir ısı ve nem kaynağı teşkil eder ve yüksek CAPE değerlerine neden olurlar. Bu etki, yüksek enlemlerinden dolayı yazın daha az ısınan Karadeniz ve Hazar Denizi’nin güney kesimlerinde de az da olsa görülür. En yüksek 0–6 km rüzgâr kayması değerleri ise kuvvetlenen jet rüzgârlarına bağlı olarak kış aylarında jeti takip eden bir kuşak üzerinde görülür. Domain içerisinde şiddetli konvektif fırtına oluşumu için en önemli bileşenleri teşkil eden yüksek CAPE değerleri ve yüksek rüzgâr kayması değerlerinin kesişiminin gerçekleşmesinin en muhtemel olduğu dönem bahar ayrında ve Güney Avrupa, Kuzey Afrika ve Türkiye’yi içeren zonal bir kuşak üzerindedir. Somali ve Umman Deniz’i üzerinde Haziran’dan Eylül’e kadar gözlemlenen ve Somali aşağı seviye jeti ile ilişkili olan ekstrem 0–1 km rüzgar kayması değerleri aynı aylarda bölgede gözlemlenen yüksek CAPE değerleri düşünüldüğünde oldukça dikkat çekicidir. Ayrıca, konvektif fırtına çevre koşullarının mevsimsel ve coğrafi dağılımlarının Türkiye hortum ve iri taneli dolu klimatolojileri ve mevcut gök gürültülü fırtına gözlemleri ile oldukça uyumlu olduğu görülmektedir.

Severe convection is responsible for many hazardous events such as large hail, tornadoes, severe non-tornadic winds, heavy rainfalls and lightnings. These events cause loss of lives and damage to property in Turkey. Considering their effects on life and property and the global increasing trends of them, both short range probabilistic forecasting and nowcasting of these local storms are significant, however challenging issues. Defining the spatial and temporal distributions of these events is a prerequisite for understanding and predicting the environmental conditions that are favorable for them. In other words, knowledge on geographical, seasonal and daily distribution of severe convective storms is an essential need for improving abilities of forecast society. This thesis contributes the building of ‘Storm Data of Turkey’ as its first step. Convective storms are local scale events. Because of their small scales, conventional observational networks are not capable to catch all of them. Therefore, creating a storm database requires too much effort and collaborative working. Many parties, such as meteorological service observers, voluntary observer networks, and general public take part in reporting of these storms. Official records, newspapers and news agency archives, social media are good sources for collecting these reports. This dissertation presents report-based climatologies of severe convection related events, specifically severe hail and severe non-tornadic winds in Turkey. The severe hail climatology part of the reseach shows that severe hail (≥1.5 cm) is observed to be associated with a variety of thunderstorm types in Turkey and can occur in any season of the year. However, very large (≥4.5 cm) hail is usually associated with supercell storms. All parts of the country are vulnerable. The largest hailstones exceed 5 cm in diameter and approach 1 kg in mass. Severe hail in Turkey is most likely in May and June, especially in interior parts of the country. Severe hail is least likely in the winter, though when it occurs in winter, it is most likely along the southern and western coasts. The afternoon and early evening hours are the most favorable time of the day for severe hail. Seasonal and monthly distribution of severe nontornadic convective wind events shows that although the big portion of this events (51%) occur in summer they can occur in any time of year. They are most frequent in June, 33% of all events occurred in this month and 15% in September. According to the reports including storm duration information, only two of them were longer than six hours and most of them continued for 1 to 3 hours (42%). Second outcome of this research is on the impacts of severe convective storms on society. A dataset covering January 1930 to June 2014 on lightning related fatalities and injuries in Turkey is created. There were 745 incidents, resulting in 898 deaths, 150 serious injuries and 536 injuries during this period. The total number of fatalities was 31 in 2012, 26 people in 2013 and 25 people in 2014. With a Turkish population of around 73.7 million, the number of fatalities were 0.42 per million in 2012, 0.35 per million in 2013 and 0.34 per million in 2014 (January–June). The total number of human injuries was 36 in each of 2012 and 2013, and 62 in 2014. Considering the population, the rate of injuries was 0.49 per million in each of 2012 and 2013, and 0.84 per million in 2014 (January–June). Incidents were most frequent in late spring all around Turkey and were rare during winter. The majority of lightning incidents occurred during the afternoon, with fewer occurring at night. The number of incidents was higher over the highly populated western parts, especially in Istanbul and relatively lower in central and eastern Turkey. Geographical, annual and diurnal distributions of the incidents were comparable to thunderstorm and lightning observations, as well as with the report-based severe weather climatologies for Turkey. The risk of being struck by lightning was highest for the people participating outdoor activities such as farming and shepherding. The number of male victims was nearly twice the number of female victims. Almost all of the incidents occurred in rural areas. The number of victims under trees is a sign of the need for awareness campaigns. Report-based datasets are primary sources for severe convective storm climatologies. However, they have some disadvantages. Observations of hazardous, convection related local scale phenomena such as severe hail, tornadoes and damaging winds have a subjective nature. They are critically sensitive to some parameters such as population density differences, time of the day of occurrence and reporting issues (e.g., subjective estimation of wind speed by non-expert human observers and alike). Due to subjective nature of their observations, regional climatology, temporal variability and trends of these phenomena have been difficult to be defined properly (e.g., Diffenbaugh et al. 2008). Thus, climate change assessments have avoided from certain judgments about the effects of anthropogenic global warming on current and future variability of these phenomena (e.g., Intergovernmental Panel on Climate Change 2007). Usage of numerical models is an alternative method to get rid of mentioned disadvantages of report-based climatologies. Spatial analysis of environmental controls such as CAPE (convective available potential energy) and vertical wind shear on the global reanalysis data shows that there is a significant similarity between distribution of observed severe convective storms and these environmental controls (Brooks et al., 2003; Romero et al., 2007; Gensini and Ashley, 2011). In this thesis, an objective climatology of severe convective storm environments is established. Various environmental parameters associated with severe convective storms were calculated for a domain covering Europe, Middle East and North Africa for the 35-year period of 1979–2014 using ERA-interim data. Specifically, surface-based convective available potential energy (SBCAPE), mixed-layer (lowest 500m) convective available potential energy (MLCAPE), most unstable convective available potential energy (MUCAPE), surface-based convective inhibition energy (SBCIN), mixed-layer (lowest 500m) convective inhibition energy (MLCIN), most unstable convective inhibition energy (MUCIN), surface-based lifting condensation level (SBLCL), mixed-layer (lowest 500m) lifting condensation level (MLLCL), 0–6 km wind shear, 0–3 km wind shear, 0–1 km wind shear and mid-tropospheric (700–500-hPa) lapse rate (LR7050) were calculated. Previous research shows that, individual parameters did not discriminate well between severe and non-severe deep moist convection. Considering instability and shear together improves discrimination sharply (e.g., Davies and Johns 1993, Johns et al., 1993, Craven and Brooks 2004, Gensini and Ashley 2011). Therefore, proxy distribution of severe convective storms is enquired with the help of a parameter based on product of MLCAPE and deep layer shear. Results shows that the ITCZ, Mediterranean Sea, Red Sea and Arabian clearly exerts a dominating influence on the CAPE distribution patterns over the domain. Influence is not limited to directly over the seas but is noted over the coasts of these seas. Seasonal cycle of CAPE fields is very clearly defined with larger values during summer than in the winter for all over the domain. For the transition seasons, CAPE values are higher in autumn than spring over Mediterranean, Red and Arabian Seas and neighboring countries as expected. After peak summer insolation, these large water bodies remain warm for several weeks and perform as intense heat and moisture sources. This effect is slightly visible over southern parts of Black Sea and Caspian Sea due to lower insolation, related with their higher latitudes. With the strengthening of the jet stream during winter, the highest average 0–6 km wind shear values occur beneath the jet regions. Overlapping of ingredients seems most probable during spring over a zonal belt including southern Europe, northern Africa and Turkey. Another finding is large 0–1 km wind shear values over the Arabian Sea and Somalia from June to September, related to the Somalia low-level jet. This region is notable considering the extreme SBCAPE values available at that time of the year together with these large wind-shear values. Seasonal and geographical distributions of the environments over Turkey are compatible with report-based severe weather climatologies of Turkey. The long-term variations in severe convective storm environments are worthy of future study.