Disaggregation of future climate projection data to generate future rainfall intensity-duration-frequency curves to assess climate change impacts

Abstract

A heavy increase in urbanization, industrialization, and population is causing an increase in emissions of greenhouse gases (GHG). Increment in GHG emissions causes variations in the atmosphere and in climate conditions. Climate change is one of the most serious reasons for extreme climate events such as high global temperature, extremely heavy rainfall events, and high evapotranspiration. According to many studies, climate change impacts will intensify in the future. As a result of this, heavy rainfall events tend to enhance. In our case extreme rainfall events, which are responsible for flooding events, were considered. Since flooding is influencing urban areas acutely, controlling and management of flooding is a major necessity for cities. Intensity-Duration-Frequency (IDF) curves play a huge role in representing rainfall characteristics by linking the intensity, duration, and frequency of rainfall. These curves give the expected rainfall intensity in duration (5, 10, 15, 30 min.; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 18, and 24 hours) and in a return period (2, 10, 25, 50 and 100 years). Hence, IDF curves are used in many water-related applications such as water management, designing of infrastructure, drainage, culverts, gutters, and also flood forecasting. However, current IDF curves are generated based on historical rainfall events. These IDF curves are considered stationary since they only consider historical events. The increase in GHG leads to variations in climate, especially in rainfall behaviors. Thus, IDF curves must catch the changes in rainfall intensities, in other words, they must be non-stationary and time-varying based. This study updates IDF curves to assess future climate conditions. For the study, six meteorological stations from Istanbul (Florya, Goztepe, Sariyer, Sile, Omerli and Canta) were selected as study areas. As a consequence, cities will be prepared for upcoming extreme events, hence possible damages will be decreased. A Global Climate Model (GCM) HadGEM2-ES generated under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were used in the study to represent future rainfall in daily form. 1-min and hourly rainfall data were provided by the Turkish State Meteorological Service (TSMS). HYETOS disaggregation model was applied to both historical and future rainfall data to obtain sub-hourly data (also hourly for future rainfall). Since GCMs are not suitable to use directly due to biases, the distribution mapping method was selected as a bias-correction method. The Gumbel model was applied to annual maximum rainfall to generate IDF curves. Finally, historical and future IDF curves, IDF curves generated under RCP4.5 and RCP8.5, and also IDF curves generated using disaggregated historical data and observed IDF curves provided by TSMS were compared. The study concluded that rainfall intensities increase under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios compared to historical IDF curves. Besides, RCP8.5 has higher rainfall intensities when compared to rainfall intensities of RCP4.5.

Kentleşme, sanayileşme ve nüfustaki hızlı artış sera gazlarının salınmasında artışa sebep olmaktadır. Sera gazlarının salınımının artması atmosferde değişimlere, bunun sonucu olarak da iklim şartlarında değişikliğe sebep olmaktadır. İklim değişikliği, yüksek küresel sıcaklıklar, aşırı şiddetli yağış olayları ve yüksek seviyede terleme ve buharlaşma gibi uç derecede iklim koşullarının oluşmasındaki en önemli sebeplerden birisidir. Birçok çalışmaya göre, iklim değişikliği ve bunun sonucu olarak şiddetli yağış olaylarının yakın gelecekte yükselmesi bekleniyor. Bizim durumumuzda, taşkın olaylarından sorumlu olan aşırı yağış olayları göz önünde bulunduruldu. Sağanak yağışların sebep olduğu taşkın olayları, can ve mal kaybına, tarım alanlarında hasarlara, binaların ve alt yapı sistemlerinin zarar görmesine sebep olmaktadır. Bu durum, kentsel alanlarda yaşayan yetkililer ve vatandaşlar için başa çıkılması gereken büyük bir sorundur. Bu taşkınlar, drenaj sistemlerin şiddetli yağışlarda kapasite bakımından yetersiz kalması, bu sistemlerde tıkanmaların olması ve nehir yakınlarında taşkın yataklarına su akışını önleyecek setlerin yetersiz olması sebebiyle ortaya çıkmaktadır. Taşkınlar, kentsel alanları şiddetli şekilde etkilediği için taşkınların kontrolü ve yönetimi şehirler için ana gerekliliktir. Şiddet-Süre-Tekerrür (IDF) eğrileri, yağışların şiddet, süre ve frekanslarını bağlayarak yağış karakteristiklerinin yansıtılmasında büyük bir rol oynamaktadır. Bu eğriler belli bir sürede (5, 10, 15, 30 dakika; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 18 ve 24 saat) ve dönüş periyodunda (2, 10, 25, 50 ve 100 yıl) beklenen yağış şiddetini göstermektedir. Bu yüzden IDF eğrileri, su yönetimi, altyapı, drenaj, kanal, oluk tasarımları ve taşkın tahmini gibi birçok su ile ilgili uygulamada kullanılır. IDF eğrilerini elde etmek için temel olarak birkaç işlem gerekmektedir. Büyük çoğunlukla, IDF eğrileri tarihsel yağışlar göz önünde bulundurularak hesaplanır. Öncelikle istenilen süreler (5, 10, 15, 30 dakika; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12, 18 ve 24 saat) için yağış verileri bulunmalıdır. Bu çalışmada, temin edilen 1 saatlik tarihsel veriler ayrıştırılarak 1 saatlikten küçük sürelere ait yağışlar hesaplanmıştır. belirlenen zaman aralıklarındaki her bir sene için seçilen her bir dönüş periyodu ve süreye ait maksimum yağışlar elde edilir. IDF eğrilerini üretmek için çeşitli olasılık dağılımları, elde edilen bu yıllık maksimum yağışlara uygulanır. Bu metotlar arasında Gumbel, Genelleştirilmiş Aşırı Değer dağılımı (GEV), Log-Normal ve Log Pearson Tip III dağılımları sayılabilir. Bu işlem sonucunda, seçilen herhangi bir istasyonda süreler için 14 satır, dönüş periyotları için 5 kolon olmak üzere 70 yağış şiddeti değerini içeren bir IDF tablosu elde edilir. Bu değerler kullanılarak yağış şiddet-süre-tekerrür değerlerinin bir arada bulunduğu eğriler elde edilir. Önceden bahsedildiği üzere şimdiki IDF eğrileri yalnızca tarihsel yağış olayları baz alınarak elde edilir. Bu şekilde elde edilen IDF eğrilerinin sayısının bir hayli fazla olmasına ve su ile ilgili yapıların tasarımında sıklıkla kullanılmasına rağmen bu eğriler xxiv yalnızca tarihsel olayları dikkate aldığı için durağan olarak nitelendirilir. Ancak bütün dünya iklim değişikliği gerçeğiyle savaşmak durumunda. Bu çalışmada da iklim değişikliğinin gelecekteki yıkıcı zararlarının net olarak görülmesi ve anlaşılması amaçlanmıştır. Daha önce üzerinde durulduğu üzere, sanayileşmenin, kentleşmenin ve nüfusların hızlıca artışı iklim değişikliğinin ana nedenlerindendir. Çünkü bu artış, karbon dioksit, methan, aerosol gibi sera gazlarının atmosfere yayılımını artırmaktadır. Sera gazlarının artışı iklimde, özellikle de yağış davranışlarında değişimlere neden olur. İklim değişikliği küresel sıcaklıkların artmasına, yani sıklıkla kullanılan adıyla, küresel ısınmaya sebep olur. Küresel ısınmayla beraber atmosfer daha fazla su buharı tutar ve ısınmanın artmasıyla bu tutma kapasitesi de artış gösterir. Atmosferdeki nemliliğin artışı da daha şiddetli yağış olaylarına yol açar. Yağış şiddetlerinin artması, belli bir yıldaki toplam yağışın da artacağı anlamına gelmemektedir. Aksine, artan yağış şiddetine karşın kuru geçen günlerin arttığı bazı iklim modelleri tarafından ortaya çıkarılmıştır. Açıkca görüldüğü üzere iklim değişikliği IDF eğrilerinin temel parametresi olan yağışları oldukça etkilemekte, yani şiddetinin artmasına sebep olmaktadır. Yalnızca tarihsel yağışların baz alınarak oluşturulan IDF eğrileri, yukarıda sayılan iklim değişikliğinin etkileri sebebiyle pek güvenilir bir sonuç vermemektedir. Çünkü yağışların özellikleri her geçen değişmektedir. Bu yüzden IDF eğrileri yağış şiddetlerindeki değişimleri yakalamalı, diğer bir deyişle durağan olmamalı ve zamanla değişen şekilde olmalı. Böylece, gelecekte gözlenebilecek fazla şiddetli yağışlar erkenden tahmin edilmiş olacak. Tarihsel yağışların ve bunların neden olduğu taşkınlardan elde edilen tecrübelerin, gelecekte meydana gelebilecek daha yıkıcı olaylara karşı kullanılması gerekmektedir. Hem tarihsel hem de gelecekteki muhtemel yağışların beraber değerlendirilmesiyle elde edilen IDF eğrileri, erken önlem almaya ve böylece tehlikelerin en aza indirgenmesine yardımcı olacaktır. Sera gazlarının yayılım seviyeleri dikkate alınarak elde edilen iklim senaryoları, iklim değişikliği etkisini göz önünde bulunduran çalışmalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Bu senaryolar yüzden fazla farklı değişken için oluşturulabilmektedir. Bu çalışmada ise, bu senaryolar altında oluşturulmuş gelecek yağışlar kullanılmıştır. Bu senaryolar en ılımlıdan en yıkıcıya olmak üzere RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0 ve RCP8.5 şeklinde sıralanır. Bu çalışma gelecekteki iklim koşullarını değerlendirmek için güncellenmiş IDF eğrileri üretmeyi amaçlar. Bunun sonucu olarak, şehirler gerçekleşmesi yakın olan uç olaylara hazır olacaklar ve böylece muhtemel hasarlar azaltılmış olacak. RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları ile üretilmiş bir Küresel İklim Modeli (GCM) olan HadGEM2-ES günlük formdaki gelecek yağışları temsil etmek için kullanıldı. Bu yağışlar 2038-2067 ve 2068-2097 yılları arasını temsil etmesi için temin edildi. 1-dakikalık ve saatlik yağış verileri Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nden (MGM) temin edildi. Tarihsel yağış olarak, 2005-2018 aralığı dikkate alındı. İstanbul'da bulunan 6 farklı meteoroloji istasyonu (Florya, GÖztepe, SarIyer, Şile, Ömerli ve Çanta) çalışma alanı olarak seçildi. Tarihsel yağış verileri her bir istasyon için temin edildi. Ömerli ve Çanta istasyonlarında 1-dakikalık yağışlar mevcutken, geri kalan istasyonlardan 1 saatlik yağış verileri temin edildi. Ek olarak, Florya, Göztepe ve Sarıyer için MGM tarafından, tarihsel yağışlar baz alınarak elde edilen IDF eğrileri temin edildi. HYETOS ayrıştırma modeli saatlikten daha küçük sürelerde veri elde etmek için (gelecek yağışlar için saatlik veri) hem tarihsel hem de gelecek yağış verilerine uygulandı. Bölgesel İklim Modelleri , gözlenmiş ve simüle edilmiş tarihsel veriler arasındaki yanlılıklar sebebiyle direkt kullanıma uygun olmadığından, yanlılık düzeltmesi olarak dağılım haritalaması metodu seçildi. IDF eğrilerini oluşturmak için yıllık maksimum yağışlara Gumbel modeli uygulandı. Son olarak, tarihsel ve gelecek IDF eğrileri, RCP4.5 ve RCP8.5 ile oluşturulan IDF eğrileri ve ayrıca ayrıştırılmış tarihsel verilerle elde edilen IDF eğrileri ve MGM'den temin edilen gözlenmiş IDF eğrileri kıyaslandı. Bu çalışma, tarihsel IDF eğrileri ile kıyaslandığında RCP4.5 ve RCP8.5'e ait yağış şiddetlerinin arttığı sonucunu ortaya vardı.