Türkiye İçin Cosmo-clm (cclm) İklim Simülasyonları: Performans Değerlendirmesi Ve 21. Yüzyıl İklim Projeksiyonları - Yürük, Cemre (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017)
İklim modelleri, iklim sistemi bileşenleri arasındaki karmaşık etkileşimleri anlamaya yarayan birincil araçlardır. Öte yandan, emisyon senaryolarının yardımıyla iklim sistemi bileşenlerinin gelecekteki durumunu simüle etmek için kullanılmaktadır. İklim değişikliği küresel bir olgu olmasına rağmen, iklim değişikliğinin etkileri yerel ve bölgesel ölçekte de hissedilebilmektedir. Çözünürlüğü 100 km ile 400 km arasında değişen genel dolaşım modellerinin (GCM) yardımı ile bölgesel ölçekte iklim değişimlerini çözebilmek ve bu bölgesel etkileri değerlendirmek zordur. Bu nedenle, bölgesel iklim modelleri (RCM) ülke çapında gelecek projeksiyonlarını gerçekleştirmek ve politik çözümler üretmek için gereklidir. Yaygın bir yöntem olan dinamik ölçek küçültme yöntemi ile, bölgesel iklim modelleri genel dolaşım modellerinin ölçeğini dinamik olarak küçültmektedir. Böylece bölgesel iklim modelleri, kıyı şeritleri gibi yüzey heterojenliklerinden etkilenen alanlar hakkında daha ayrıntılı bilgiler sağlamakta ve orta ölçekli atmosferik olayları genel dolaşım modellerinden daha iyi yakalamaktadır. Çalışmanın genel amacı Türkiye ve batısı için günümüz ve gelecek koşulları iklim simülasyonlarını gerçekleştirmektir. Bu amaç için hidrostatik olmayan sınırlı alan modeli COSMO-CLM (CCLM) iklim modeli koşturulmuştur. Açılımı Consortium for Small-scale Modeling olan COSMO modeli, CLM Topluluğu (CLM-Community) tarafından Alman Meteoroloji Servisi’nin Bölgesel Modeli (Local Model) kullanılarak geliştirilmiştir. COSMO modeli, herhangi bir ölçek yaklaşımı kullanılmadan nemli atmosferdeki sıkıştırılabilir akışı tanımlayan ilkel termo-hidrodinamik denklemlere dayanmaktadır. Model denklemleri dönen coğrafi koordinatlarda formüle edilmiş ve yüzeyi takip eden yükseklik koordinatlarında genelleştirilmiştir. Atmosferdeki bazı fiziksel süreçler parametreleştirme şeması ile hesaba katılmıştır. Çalışma kapsamı yerel iklim koşullarının ortaya koyulması olduğundan 0.11° (yaklaşık 12 km) çözünürlüğe kadar inilmiştir. Simülasyonlar 1971’den 2005 yılının sonuna kadar olan 35 yıllık bir zaman aralığını kapsamaktadır. Ancak yüksek çözünürlükte modelin başlangıç birkaç yılı spin up zamanı olarak alınmakta olup analizlerde kullanılmamaktadır. Model için kullanılan koordinatlar dıştaki çalışma alanı için Türkiye esas alınarak, içteki çalışma alanı için ise Türkiye’nin batısı baz alınarak seçilmiştir. Hem günümüz hem de gelecek küresel iklim simülasyonları, CCLM sınırlı alan modelinin Max-Plank Meteoroloji Enstitüsü (Max-Planck-Institut for Meteorology) tarafından geliştirilen ve CMIP5 (Coupled Models Intercomparison Project Phase 5) arşivinde yer alan MPI-ESM-LR yer sistem modeli çıktılarıyla zorlanmasından elde edilmiştir. MPI-ESM yer sistem modeli, atmosferi temsil eden ECHAM6 ve buz-okyanus ilişkisini içeren MPIOM genel sirkülasyon modellerinden oluşmaktadır. Bunların yanı sıra MPI-ESM-LR, yer yüzeyi ve bitki örtüsünün atmosfer ile etkileşimini kapsayan JSBACH; okyanus biyogeokimyasını temsil eden HAMOCC alt sistem modellerini içermektedir. Düşük çözünürlükteki bu konfigürasyon, atmosfer için T63/1.9° yatay çözünürlükte olmasından dolayı 0.11° çözünürlüğe ulaşabilmek adına 2 aşamalı dinamik yuvalama stratejisi izlenmiştir. Öncelikle CCLM, MPI-ESM-LR ile zorlanarak 0.44° (yaklaşık 50 km) çözünürlükte simülasyonlar elde edilmiştir. Daha sonra 3 saatlik aralıklar ile yazdırılan 0.44° simülasyonları ile zorlanan CCLM modeli 0.11° çözünürlükte koşturulmuştur. Bunun yanı sıra, karmaşık topografya ve kıyı şeritlerine sahip aynı bölge ve aynı referans dönemi için CCLM modelinin performansını keşfetmek amacıyla bir kez de NCAR/NCEP Reanalysis veri seti ile dinamik ölçek küçültme yöntemi uygulanmıştır. 0.44° çözünürlüğe sahip simülasyonlar, küresel veri setlerinden biri olan ve 0.5° grid çözünürlüğüne sahip İklim Araştırma Birimi (CRU) veri setinin ortalama sıcaklık ve yağış verileri ile karşılaştırılarak Türkiye gibi kompleks bir topoğrafya üzerinde modelin tutarlılığı irdelenmiştir. Bunun yanı sıra, 0.11° çözünürlüğe sahip simülasyonlar için Türkiye’ye ait ortalama sıcaklık gözlemi yapan 372 Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) istasyonundan, %20’den fazla eksik veri bulunduran istasyonlar elenerek, geriye kalan 217 noktadaki gözlem verisinden çalışma alanında kalan 48 istasyona ait veriler, istasyonlara en yakın gridlerdeki model çıktıları ile karşılaştırılarak yanlılık analizi yapılmıştır. Aynı yöntem ile yağış için Türkiye genelinde bulunan 283 istasyondan en çok veriye sahip 212 istasyon hesaplanmış ve bu 212 istasyon içerisinden 48 istasyonun ise çalışma alanı içerisinde kaldığı tespit edilmesinin ardından yağış için de yanlılık analizi yapılmıştır. Ayrıca ortalama sıcaklık için model yüksekliklerinden istasyon yükseklikleri çıkarılmış, bu değerler sıcaklığın yükseklik ile değişimini ifade eden ortalama lapse rate (6.5℃/km) ile çarpıldıktan sonra model çıktılarına eklenmiştir. Bu düzeltmenin sonucunda elde edilen yeni model sonuçlarının, istasyon değerleri ile tekrar farkı alınarak model topoğrafyasının sıcaklık ile ilişkilendirilmesi sağlanmış ve Türkiye’nin batı bölgesinde model taraflılığı test edilmiştir. 2-m sıcaklıkların yıllık ve mevsimsel ortalamalarına bakıldığında hem reanaliz veri seti ile koşturulan hem de MPI-ESM-LR yer sistem modeli ile kuple edilen CCLM model sonuçlarının CRU gözlem verisetine göre, 0.44° çözünürlüğe sahip ana çalışma alanı üzerinde benzer sıcaklık dağılımı ortaya koymaktadır. Yıllık sıcaklık ortalamaları, kuple edilen model simülasyonlarının Türkiye üzerinde daha tutarlı (± 1℃) olduğunu göstermektedir. Benzer şekilde reanalizle zorlanan model sonuçlarında kış ve sonbahar mevsimlerinde soğuk yanlılığın hâkim olduğu Türkiye’de kuple edilen model, değerleri daha tutarlı hale getirmektedir. Bu karşılaştırmalarda en çok dikkat çeken, her iki şekilde de koşturulan CCLM modelinin genellikle Kafkas Dağları gibi dağlık bölgelerde daha büyük yanlılığa (>2℃) sahip olmasına rağmen yükseltinin fazla olduğu Türkiye'nin kuzeydoğusundaki sıcaklıkları daha düşük (<-2℃) üretmesidir. Modelin CRU’ya göre yağış performans analizi, reanaliz verisiyle zorlanan CCLM’in Türkiye’nin kuzeyinde; kuple edilen CCLM’in ise Türkiye’nin güneyinde yıllık toplam yağışın mekansal değişimine yakın değerler (± 100 mm) simüle ettiğini göstermektedir. Her iki simülasyonda da Kafkas Dağları üzerinde 800mm’yi aşan pozitif yanlılık göze çarpmaktadır. Mevsimsel toplamlar ele alındığında ise Türkiye üzerinde genellikle CRU’ya yakın değerler üreten CCLM simülasyonları, en tutarlı yağış değerlerini yaz mevsimde ortaya koymaktadır. 0.11° çözünürlüğe sahip sıcaklık simülasyonları yıllık ve mevsimlik bazda TSMS istasyonlarıyla karşılaştırıldığında modelin yüksek bölgelerde soğuk taraflılığı fazla çıkmış; model topoğrafyasını göz önünde bulundurarak farklar tekrar hesaplandığında ise model ile gözlem verileri arası tutarlılığın arttığı gözlenmiştir. Yükselti düzeltmesi yapıldıktan sonra 48 istasyon üzerinde hesaplanan yıllık sıcaklık ortalamaları CCLM_NCEP1 için -1.3℃’den -0.5℃’e; CCLM_MPI-ESM-LR için -0.49℃’den 0.3℃’e düşürülmüştür. Bunun yanı sıra, yer sistem modeli ile kuple edilmiş CCLM yaz mevsimi dışındaki bütün mevsimlerde NCEP1 ile koşturulan CCLM’den daha tutarlı sonuçlar vermekte, CCLM_NCEP1’in özellikle kış ve sonbahar mevsimlerinde TSMS değerlerine göre daha soğuk tahmin ettiği istasyonlardaki sıcaklık yanlılığını en az 1℃ azaltmaktadır. Yağış değerlerini ise gözlemlere kıyasla genellikle daha yüksek tahmin etmektedir. Buna karşılık reanaliz verisi ile zorlanan bölgesel iklim modeli hem yıllık hem de mevsimlik toplam yağışları çoğu istasyon noktasında daha düşük üretmektedir. Her iki simülasyon da, ± 25 mm’lik yanlılık değeri ile yaz mevsiminde en iyi performansını göstermektedir. Çalışmanın diğer bir amacı, sıcaklık ve yağış parametrelerindeki değişimleri değişen iklim koşulları altında ortaya koymaktır. Bu nedenle projede, gelecek iklim beklentileri için Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli’nin (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) Temsili Konsantrasyon Rotaları (Representative Concentration Pathways) olarak adlandırılan yeni gelecek emisyon senaryoları RCP2.6, RCP4.5, RCP6 ve RCP8.5 arasından RCP8.5 senaryosu seçilmiştir. RCP8.5 rotası, sera gazı emisyonlarındaki artış sonucunda 2100 yılına kadar CO2 konsantrasyonunun 940 ppm’e erişeceğini göz önüne aldığından sıcaklıklar açısından en kötümser senaryo olarak adlandırılır. Böylelikle, en kötü koşullar altında lokal iklimdeki, özellikle sıcaklık ve yağışlardaki değişimler ortaya koyulmaya çalışılmaktadır. Türkiye'de iklimin 21. yüzyılın küresel ısınmasından belirgin şekilde etkileneceği ve yüzyılın ikinci yarısındaki ısınmanın daha hızlı bir şekilde gerçekleşeceği tahmin edilmektedir. Özellikle yaz aylarında yüzyılın sonuna doğru Türkiye’nin doğusunda (0.44° çözünürlüğe sahip simülasyonlara göre) ve iç bölgelerinde (0.11° çözünürlüğe sahip simülasyonlara göre) 6℃’yi aşan ciddi bir sıcaklık artışı beklenmektedir. Bununla birlikte, bu iklim değişikliği sadece artan sıcaklıkları değil, aynı zamanda değişen yağış rejimlerini de ifade etmektedir. 1971-2005 referans periyoduna göre yüksek topoğrafyaya sahip bölgelerin yaz yağışlarında büyük bir miktarda azalma eğilimi vardır. Bilhassa 0.11° çözünürlüklü iklim projeksiyonlarına göre, 2071-2100 periyodunda diğer dönemlere kıyasla dağlık bölgelerin daha kurak koşulların (90 mm’yi aşan) etkisi altında kalacağı aşikârdır.

In this study, the results of regional climatology based on NCAR/NCEP Reanalysis and MPI-ESM-LR driven COSMO-CLM (CCLM) simulations over Turkey and its vicinity are presented. The main purposes of this thesis are to ascertain the capability of the non-hydrostatic regional climate model CCLM in capturing temperature and precipitation and also, to investigate the effect of climate change on temperature and precipitation distribution through 21st century by employing the current extreme Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) scenario, Representative Concentration Pathways 8.5 (RCP8.5). The simulations are conducted at two different horizontal grid spacings (0.44° and 0.11°). The outputs of earth system model (ESM) MPI-ESM-LR are downscaled to first coarse resolution over mother domain, which covers Turkey and its vicinity. Then, it is downscaled to high resolution over northwestern Turkey for reference period (RF) of 1971-2005 by using CCLM in order to assess the ability of the model to reproduce the climatological features of the region. Moreover, NCAR/NCEP Reanalysis data is also dynamically downscaled by following the same steps to explore the inherent performance of the CCLM for the same region that has complex topography and shorelines. In addition, the future projections are forced by MPI-ESM-LR covering 2011-2100 with proposed changes under IPCC RCP8.5 scenario. The validation of CCLM is evaluated with respect to various observational data sets. The 0.44° resolution simulations of CCLM for reference period are compared with Climatic Research Unit (CRU) gridded data by interpolating CRU values to CCLM grid. Furthermore, CCLM simulations having 0.11° resolution compared with meteorological observations obtained from TSMS stations after the model results are bilinearly interpolated to stations’ location. A focus is put on near-surface conditions and the analyses of the simulations are carried out on annual and seasonal basis. When the annual and seasonal averages of mean 2-m temperatures are analyzed, it is concluded that both the reanalysis and ESM driven CCLM model results show similar temperature distribution with CRU over the mother domain for 1971-2005. The model evaluation reveals that the coupled CCLM is able to approximately reproduce the observed spatial variation of 2-m temperature over Turkey in winter and autumn seasons that are dominated by cold bias in CCLM_NCEP1. Although the both simulations driven with NCEP1 and ESM have generally larger biases (>2℃) over mountainous regions such as Caucasus Mountains, it underestimates the temperatures (<-2℃) over northeastern part of Turkey. Precipitation analysis with respect to CRU shows that reanalysis driven CCLM produces values close to the spatial variation of the total annual precipitation in the north of Turkey while coupled CCLM simulates consistent values that changes between ± 100 mm in the southern part of Turkey. Additionally, the dryness of the summer season over Turkey is well captured (± 50 mm) by the both simulations. CCLM coupled with MPI-ESM-LR gives more consistent results than CCLM forced with NCEP1 in all seasons except summer and also reduces the temperature biases of CCLM_NCEP1 that are colder than TSMS values in winter and autumn seasons by at least 1℃. Besides, comparing the both 0.11° temperature simulations with the TSMS stations on annual and seasonal basis shows that the model has high cold bias in elevated regions. It is observed that the consistency between the model and the observation data increases when the differences are recalculated considering the model topography. On the other hand, reanalysis driven CCLM has generally dry bias whereas coupled model system has wet bias according to TSMS stations. The best performance is observed in spring (0.7 mm) and summer (-16 mm) for CCLM_NCEP1 yet in summer (24 mm) and autumn (15.2 mm) seasons for CCLM_MPI-ESM-LR. Climate in Turkey is expected to be noticeably affected by 21st century global warming and the warming in the second half of the century is predicted to accelerate more steeply. Through the end of century, significant warming (>6℃) particularly over eastern (for 0.44° resloution) and inland (for 0.11° resloution) parts of Turkey is expected in summer season. However, this climate change does not only refer to increasing temperatures but also to changing precipitation regimes. There is a tendency towards a larger relative decrease of summer precipitation at higher elevations, but there are exceptions to this as well. Drier conditions exceeding 90 mm are apparent over the mountainous regions in 2071-2100 period compared to previous periods, especially for the projections of 0.11° resolution.
Cosmo-clm (cclm) Climate Simulations Over Turkey: Performance Evaluation And Climate Projections For The 21st Century
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017
Keywords: iklim modelleri; bölgesel iklim modellemesi; iklim değişikliği; akdeniz iklimi; iklim projeksiyonları; climate models; regional climate modelling; climate change; mediterranean climate; climate projections