Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
547033		A comprehensive assessment on various impacts of climate change in Western Black Sea and Euphrates-Tigris basins, Turkey / Türkiye'nin Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzalarında iklim değişikliğinin muhtelif tesirlerinin geniş kapsamlı değerlendirilmesi Yazar:MUSTAFA NURI BALOV Danışman: PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı Konu:İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2019 190 s.
Günümüzde iklim değişikliğinin su kaynakları üzerindeki tesiri birçok bilimsel araştırmanın konusunu teşkil etmektedir. Bu durum, su kaynaklarının tarım, sanayi, şehirleşme ve enerji gibi birçok önemli gelişme parametrelerinin temel öğesi olmasındandır. Binaenaleyh iklim değişikliği projeksiyonları ile su kaynaklarında oluşabilecek muhtemel değişimler, özellikle akarsu hacmindeki değişimlerin incelenmesi önem arz etmektedir. Bununla birlikte geleceğe yönelik yapılan gelişme ve işletme planlamaları bu incelemeler ve tahkikler ışığında daha gerçekçi ve makul bir şekilde yapılabilmektedir. Öte yandan iklim değişikliğinin doğru bir şekilde ele alınması için doğru yapılan modellemeler ile doğru tahminlerin yapılması önem arz eder. Günümüzde dünya çapında yapılmakta olan birçok Global Sirkülasyon Modellemesi (GSM) iklim sistemindeki muhtelif bileşenlerin entegere bir şekilde modellenmesini sağlamaktadır. Ancak bu modellerin farklı sınır ve başlangıç şartlarının yanı sıra değişik hesaplama yöntemleri ve değişik kabüllerle kurulmasından kaynaklanan farklar bölgesel tahminlerde doğru bir şekilde analiz edilmelidir. Bununla birlikte, bu modellerin küresel bazda çalıştırıldıkları için Bölgesel İklim Modelleri vasıtasıyla herhangi bir bölge için uyarlanması kaçınılmazdır. Bu durum ölçek küçültme olarak bilinmektedir. IPCC (Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli) tarafından yeni küresel sirkülasyon modelleri CMIP5 (Coupled Model Inter-comparison Project 5) kapsamında sunulmuştur. Bu modeller IPCC'nin beşinci değerlendirme raporu kapsamında bir önceki CMIP3 modellerden farklı bir şekilde geliştirilmiştir. Bu farklılıkların en önemli ve en etkilisi yeni emisyon senaryolarının kullanılmasıdır. Bu yeni senaryolar RCP (Representative Concentration Pathways: Temsili Konsantrasyon Rotaları) ismi ile bilinmekte ve 21. yüzyıl boyunca karbondiyoksit konsantrasyonunun izleyeceği yolu temsil etmektedir. Türkiye'de bugüne kadar gerçekleşen iklim değişikliği çalışmalarının büyük çoğunluğu eski senaryolar ve GSM'lere dayanmaktadır. Yeni senaryo ve modellerle yüksek çözünürlükte yapılan araştırmaların sayısının azlığı ile birlikte bu çalışmaların özel bir bölge için (örneğin herhangi bir akarsu havzası için) yapılmaması ve daha genel kapsamlı olması bu konuda hâlâ önemli bir eksiklik olarak görülmektedir. Havza bazında yapılan iklim değişikliği projeksiyonlarının bölgesel yönetimler tarafından daha kullanışlı olacağı düşünülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında Türkiye'nin Batı Karadeniz Havzası için iklim değişikliği modellemeleri incelenmiştir. Bununla birlikte çalışmanın bazı bölümlerinde mukayese amaçlı Dicle-Fırat Havzası için de bazı incelemeler uygulanmıştır. Ayrıca bu iki havzada bulunan ve önemli su kaynaklarından sayılan Büyük Melen ve Munzur çaylarının debisinde iklim değişikliği etkileri altında meydana gelebilecek değişiklikler modellenmiştir. Bu tez çalışmasının amaçları iki ana bölümden oluşmaktadır: (1) Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat Havzaları'nın iklimindeki değişikliklerin yağış ve sıcaklık parametreleri üzerinden değerlendirilmesi, (2) bu iki havzada yer alan Büyük Melen ve Munzur çaylarının debisinde iklim değişikliği etkileri ile meydana gelebilecek değişimlerin modellenmesi, (3) Batı Karadeniz havzasında meydana gelebilecek ekstrem yağış ve sıcaklık vak'alarının analiz edilmesi, ve (4) Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat Havzalarında kuraklık analizi. İklim değişikliği projeksiyonlarında dinamik ölçek küçültme yöntemi kullanılmıştır. Bu doğrultuda Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) tarafından RegCM4 Bölge İklim Modeli ile yürütülen projeksiyonlar analizler için alınmıştır. Bu projeksiyonlar, GFDL-ESM2M, HadGEM2-ES ve MPI-ESM-MR global sirkülasyon modelleri için RCP4.5 ve RCP8.5 emisyon senaryoları altında yapılmıştır. Bu tez çalışmasında iklim değişiklinin tesirleri farklı yönlerden incelenmiştir. İlk aşamada, GSM'lerin referans dönemi için yapılan yağış ve sıcaklık simülasyonları Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzaları için gözlem değerleri ile mukayese edilerek değerlendirilmiştir. Bu konuda, yağış ve sıcaklık gözlemleri için sırasıyla yüksek çözünürlüklü APHRODITE ve NCEP/NCAR gridlenmiş verileri kullanılmıştır. Mukayeseler, 30 yıllık ortalamanın mevsimler ve yıllık bazda olmak üzere yapılmıştır. İkinci aşamada Batı Karadeniz Havzası'nda bulunan 9 meteoroloji istasyonunda ekstrem yağışlar analiz edilmiştir. Bunun için yağış projeksiyonlarından elde edilen veriler 8 farklı ekstrem yağış endeksinin hesaplanması için kullanılmıştır. Daha sonra referans (1971-2000) ve gelecek (2020-2099) dönemler için Mann-Kendall ve Spearman's rho tesleri ile bu indekslerin değerlerindeki trendler incelenmiştir. Ayrıca aynı istasyonlar için günlük maksimum yağış şiddetinin frekans analizi yapılmıştır. Bu doğrultuda günlük yağış projeksiyonları kullanılarak referans ve gelecek (2070-2099) dönemler için Yıllık Maksimum ve POT (Peaks Over Threshold) metotları ile ekstrem yağış zaman serileri oluşturulup bu zaman serilerin 2, 5, 10, 20, 50, 100, ve 500 tekerrür yıllarına göre frekans analizi yapılmıştır. Bu çalışmada gözlem ve prorojeksiyon verileri arasındaki sapmaların düzeltilmesi için ekstrem değerler analizlerinde kullanılmak üzere yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bir sonraki aşamada, GSM'lerden elde edilen yağış verilerinin kullanılması ile Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzaları için kuraklık olaylarının özelliklerindeki zaman ve mekana bağlı olarak analizi yapılmıştır. Bu aşamada her iki havza için referans (1971-2000) ve gelecek (2040-2069 ve 2070-2099) dönemler için üç farklı meteorolojik kuraklık indeksi hesaplanmıştır. Bu endeksler Standardized Precipitation Index (SPI), China Z-Index (CZI), ve Statistical Z-Score (STZS) indeksleridir. Ayrıca, bu indekslerdeki trendler Mann-Kendall trend testi ile araştırılmıştır. Bu aşamada da gözlem ve projeksiyonlar arasındaki farklar lineer ölçekleme yöntemi ile düzeltilmiştir. Tezin son aşamasında sırasıyla Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzalarında bulunan Melen ve Munzur çaylarının debisinde iklim değişikliği tesirleri altında meydana gelebilecek değişimler modellenmiştir. Hidrolojik modellemeler, su dengesi esasına dayanan WASMOD modeli ile yapılmıştır. Bunun için DSİ'den alınan günlük akım gözlem değerleri modelin kalibrasyonu için kullanılmıştır. Bu model kapsamında her iki havza da belirli sayıda hücrelere ayrılıp, her hücre için iklim parametrelerinden (yağış, sıcaklık ve nisbi nem) akış değeri elde edilmiştir. Daha sonra bu akışlar Lineer Rezervuar öteleme metodu ile çıkış noktasına doğru ötelenmiştir. Modelin kalibrasyonunda genetik optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Model sonuçları ile gözlemlenen sıcaklık ve yağış verileri arasında özellikle Dicle-Fırat havzası için güçlü bir uyum olduğu görülmüştür.Bununla birlikte, Batı Karadeniz havzasındaki yağış modellemesi için tahmin performansı diğer model sonuçlarına göre daha düşüktür. İki havzadaki gelecekteki iklim değişikliği tahminlerine göre, Dicle-Fırat havzası için sıcaklık artışı daha belirgin olmasının yanı sıra, her iki senaryoda da sıcaklıkta önemli bir artış beklenmektedir. Ayrıca, ısınmanın her iki havza için yüksek emisyon senaryolarında 2 °C'den fazla olduğu tahmin edilmiştir. Yağış açısından Batı Karadeniz havzasında önemli bir değişiklik bulunmazken, Dicle-Fırat havzasındaki azalmanın 21. yüzyılda belirleyici olduğu tahmin edilmektedir. Eksterm yağış endekslerinin trend analizleri için referans dönemine ait analizlerin sonuçları, havzanın doğu kısmındaki endekslerde güçlü bir artış trendi göstermiş ve batı kesiminde önemli olmayan trendler (hem artan hem de azalan) göstermiştir. Öte yandan, gelecek dönemde, sonuçlar toplam yağış miktarının artacağını göstermiştir (PRCPTOT endeksindeki pozitif bir trend). Ancak, kurak günlerin sayısı artacaktır. Bu durum toplam yağış miktarında önemli bir değişiklik olmayacağını, ancak önümüzdeki yıllarda sırasıyla sel ve kuraklığa neden olabilecek şiddetli yağış olaylarının ve kurak günlerin sayısında artış olacağını göstermektedir. Maksimum 24 saatlik yağış şiddetinin frekans analizlerinde, istatistiksel teste dayanarak güvenilir bir uyumluluk elde edilmiştir. GSM verilerini kullanarak günlük fırtınanın frekans analizlerinin sonuçları, sapmaların düzeltilmesinden sonra, mevcut yüzyılın sonunda, fırtınaların büyüklüğünün Yıllık Maksimum ve POT yöntemlerine göre sırasıyla %31,29 ve %27,00 oranında artacağını göstermiştir. Bu artış, RCP4.5 ve RCP8.5 senaryoları altında sırasıyla %43.51 ve %31.29 olarak hesaplanmıştır. Yıllık Maksimum yöntemi ile hesaplanan 24 saatlik yağış şiddetinin büyüklüğü, ortalama % 22 oranında POT yönteminden daha yüksek olarak elde edilmiştir. Tüm havza için (ortalama), ortalama günlük maksimum yağış şiddeti, belirtilen geri dönüş süreleri için sırasıyla, 33.45, 46.18, 57.24, 69.16, 87.68, 104.51 ve 154.60 mm / gün olarak bulunmuştur. Kuraklık analizleri çalışmasının sonuçları, farklı kuraklık endeksleri ile çeşitli GSM'lerin kuraklık özellikleri açısından çıktıları arasında anlamlı bir farklılık olmadığını göstermiştir. Öte yandan, tüm GSM'lerin ve kuraklık endekslerinin çıktılarına dayanarak, kuraklığın süresinin, sıklığının ve şiddetinin bu yüzyılda artacağı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, kuraklık özelliklerinin havzalar üzerindeki mekansal dağılımını dikkate alarak, Batı Karadeniz ve Fırat-Dicle havzaları üzerindeki coğrafi yükseklik ve kuraklık özellikleri arasında hafif bir ilişki olduğu sonucuna varılmıştır. İklim parametrelerini girdi olarak kullanan WASMOD-D modelinden elde edilen sonuçlar, Melen ve Munzur nehirlerinin toplam su hacminin, yağışların azalması ve orta ve uzun vadede sıcaklık artışı ile birlikte azalacağını göstermiştir. Bununla birlikte, 21.yüzyıl boyunca akışların aylık dağılımında belirgin bir faklılık olacağı tahmin edilmemektedir. Son olarak, tezin sonuçlarına göre, önümüzdeki yıllarda iklim değişikliğinin tesirleri altında, özellikle Fırat-Dicle havzasında, daha kuru ve sıcak günlerin olacağı sonucuna varılabilir. Öte yandan, eksterm yağış ve kuraklık olaylarının sıklığı, şiddeti ve büyüklüğü artacak ve bu da ülkenin uygun iyileştirici ve uyarlayıcı eylemlere dayanarak gelecekteki gelişiminin planlanmasında ve düzenlenmesinde dikkate alınmasını önemli kılmaktadır.
The expression "climate change" refers to a long-term significant variation in the climate variables. It is considered as the most important challenge for our planet. Unusual measures of precipitation, temperature, wind, and humidity can define as climate change. Some of the impacts of climate change consist of shrinkage in glaciers, early breaking up of ice on rivers and lakes and dropping of sea ice, accelerated sea level rise, longer and more intense heat waves and precipitation events, flooding, and shifts in planting seasons in agriculture. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) predicted in 2007 a 2.5°F to 10°F rise of temperature over the current century based on a set of global and regional emission scenarios known as Special Report on Emissions Scenarios (SRES) which were published by IPCC in 2001. A number of climate projections have been undertaken for Turkey based on Coupled Model Inter-comparison Project 3 (CMIP3) models. A holistic view of these projections shows that Turkey will be likely to be subjected to an increase in temperature in all seasons. It is well known that a SRES scenario cannot be used to test the impacts of policy changes in climate change mitigation and adaptation efforts. Recently, IPCC developed a set of new emission scenarios called Representative Concentration Pathways (RPCs) in order to address the limitation of the old SRES. Literature review shows that climate change projections for Turkey were undertaken dominantly based on the old SRES scenarios that cannot be used in investigating policy issues. This thesis was, therefore, initiated to develop an comprehensive assessment of climate change in two most important basin in Turkey (Western Black Sea (WBS) and Euphrates-Tigris (ET)) based on the outputs of three widely used General Circulation Models (GCMs) with high temporal and spatial resolution under RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios. Those GCMs which are a part of Coupled Model Inter-comparison Project 5 (CMIP5) are HadGEM2-ES (Met Office Hadley Center, UK), GFDL-ESM2M (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, USA), and MPI-ESM-MR (Max Planck Meteorology Institution, Germany). The outputs of the GCMs were downscaled dynamically by using a regional climate model named ICTP-RegCM4 up to 20 km. All climatic data were provided by the Turkish State Meteorological Service. This study involves various objectives on the different impacts of climate change. Firstly, the outputs of GCMs for the reference period (1971-2000) over the WBS and ET basins were evaluated in terms of temperature and precipitation projection by comparison of the modeled values with high-resolution gridded data of NCEP/NCAR and APHRODITE for temperature and precipitation respectively. After that, the results of projections for temperature and precipitation were evaluated under three time periods namely 2020-2040, 2041-2069, and 2070-2099. In the second part, the extreme precipitation events at 9 stations in the Western Black Sea Basin based on the outputs of GCMs were analyzed in term of frequency analyses of maximum daily rainfall intensity and trend in extreme precipitation indices during the current century. In this part, the impacts of climate change on the extreme precipitation indices in the Western Black Sea Basin, Turkey were investigated in term of trend analyses based on the historical and projected daily precipitation data. Eight extreme precipitation indices were computed using the reference period data obtained from nine meteorological stations and dynamically downscaled outputs of GCMs under RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios. The biases in the outputs of GCMs were corrected by using the linear scaling method. The Mann-Kendall and Spearman's rho tests were utilized to determine the trend in the precipitation indices during the reference (1971-2000) and future periods (2020-2099). The impacts of climate change on extreme precipitation events in the Western Black Sea Basin of Turkey were investigated by using annual maxima (AM) and peaks over threshold (POT) methods. Daily precipitation data measured between 1971-2000 at nine meteorological stations and projected and dynamically downscaled precipitation data from outputs of GCMs under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were used to generate maximum daily rainfall intensity for 2, 5, 10, 20, 50, 100 and 500 years return periods. The outputs of the GCMs were corrected by a modified linear scaling bias correction method to offset the uncertainties of the GCMs before frequency analyses. The datasets were fitted to Generalized Extreme Value distribution and Generalized Pareto distribution for AM and POT methods, respectively. In the other part, the spatiotemporal variations of the duration, frequency, and intensity of drought events during the two 30-years periods in future (2040-2069 and 2070-2099) together with the reference period (1971-2000) were investigated based on the impacts of climate change. Three drought indices including Standardized Precipitation Index, China Z-Index, and Statistical Z-Score were calculated from the dynamically downscaled precipitation data from the outputs of GCMs under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios over the Western Black Sea and Euphrates-Tigris Basins in Turkey. The biases in the precipitation values of the GCMs were corrected by using the linear scaling method. Additionally, the Mann-Kendall trend test was adapted to the values of drought indices in order to the detection of the trend. The investigation of the impacts of climate change on the total runoff volume in two different watersheds named Melen and Munzur in Turkey is the main purpose of the last part of the thesis. The dynamically downscaled outputs of GCMs under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios were used as climatic forces to drive a hydrological model called WASMOD-D. The parameters of WASMOD-D model were determined by using multiobjective genetic optimization algorithm based on the observed daily runoff data which were provided by Turkish State Water Service. In order to wane the influences of uncertainties which are root in GCMs and hydrological model, in addition to using various models, the biases in climatic parameters (precipitation and temperature) and generated runoff by hydrological model were corrected by using linear scaling method, with respect to the observed data during the reference period (1971-2000). Future projections were developed on focusing on two 30-years periods as mid-time (2041-2070) and late future (2071-2100). According to the comparison results of projected and observed temperature and precipitation, a good agreement was found between the observed data and models' results particularly for the Euphrates-Tigris Basin. However, less satisfying results were found for precipitation modeling in the Western Black Sea Basin. Future climate change projections over the two basins resulted in a notable increase in temperature under both scenarios, though the increase of temperature for the Euphrates-Tigris Basin was more pronounced. Also, the warming was predicted to be more than 2 °C under high emission scenarios for both basins. In terms of precipitation, no significant variation exists for Western Black Sea Basin while the change in Euphrates-Tigris Basin is projected to be disquieting during the 21st century. For trend analyses of the extreme precipitation indices, the results of the analyses for the reference period showed a strong increasing trend in indices in the eastern part of the basin and non-significant trends (both increasing and decreasing) in the western part. On the other hand, for the future period, the results demonstrate that the amount of total precipitation will increase (a positive trend in PRCPTOT). However, the number of dry days will increase. This means that there will no significant change in the total amount of precipitation, but increase in the intensity of precipitation and the number of dry days during the coming years that can cause to flooding and drought, respectively. In frequency analyses of the maximum 24-hr rainfall intensity, based on the statistical test a reliable goodness-of-fit was obtained. The results of frequency analyses of daily storm by using the GCMs data, after bias correction, showed that by the end of the current century the magnitude of the storms will increase by 31.29% and 27.00% based on the AM and POT methods, respectively, under the RCP4.5 scenario and 43.51% and 31.29% under RCP8.5 scenario in the same order. The magnitude of the 24-hour rainfall intensity calculated by AM was obtained to be more than those of the POT method by 22% on average. For the whole basin (on average) the mean maximum daily rainfall intensity was found as 33.45, 46.18, 57.24, 69.16, 87.68, 104.51, and 154.60 mm/day for the mentioned return periods respectively. The results of this study for drought analyses show that there is no meaningful variation between the different drought indices and also the outputs of various GCMs in term of drought properties. On the other hand, based on the outputs of all GCMs and drought indices, it was found that the duration, frequency, and intensity of the drought will increase during the current century. The results of hydrological modeling by using WASMOD-D model based on the climatic forces show that the total water volume of Melen and Munzur rivers will decrease in accord with precipitation diminution and temperature increase during the mid-time and late future. However, the monthly distribution of the runoff was found to be not changed during the current century. In general, considering the results of this present thesis, it can be concluded that, during the coming years, under the effects of climate change, there will be drier and warmer days, especially in Euphrates-Tigris basin. Additionally, the frequency, intensity, and greatness of extreme precipitation and drought events will increase, which make it important to take into the account in planning and organizing the future development of country based on the appropriate mitigative and adaptive actions.