COSMO-CLM iklim modelinin Türkiye üzerinde duyarlılık analizi

Bir yerin iklimi birçok fiziksel sürecin bir araya gelmesi sonucu oluşur ve bu fiziksel süreçler geçmişten geleceğe iklimin özelliklerini belirlerler. Günümüzde ve gelecekte iklim koşullarının nasıl evrileceğini ortaya koyabilmek için iklim modelleri kullanılır. Farklı coğrafyalar üzerinde iklim modelleri ile yapılan deneyler (Rinke vd. 2006 Arctic Region için; Jacob vd. 2007 Avrupa için, Panitz vd. 2013 Afrika için), güneş radyasyonu, sera etkisi ve arazi örtüsündeki değişiklikler gibi çeşitli iklim zorlamalarına karşı iklim sisteminin nasıl cevap verdiğini bulmamıza yardımcı olurlar. Ülke çapında yapılan çalışmalarla günümüz koşulları ve gelecek için hangi tehlikelerle karşılaşılacağı ve hangi alanlarda sorunlar yaşanacağını ortaya konulup iklim stratejilerinin üretilmesi gereklidir. Küresel ölçekteki iklim modellerinin yüksek çözünürlükte çalıştırılması çok fazla hesaplama zamanı gerektirmektedir. Bu sebeple ülkeler ölçeğinde yapılan çalışmalarda daha hassas sonuçlar elde edebilmek için bölgesel iklim modelleri tercih edilmektedir. Türkiye sahip olduğu karmaşık topoğrafyasıyla bölgesel olarak değişen iklim özellikleri göstermektedir. Alman Meteoroloji Servisi'nin Bölgesel İklim Modeli olan COSMO-CLM modelinin Türkiye üzerinde hassasiyet gösteren parametrelerin ve bu coğrafya üzerinde optimum konfigürasyonun belirlenmesi bu çalışmanın temel amacıdır. Bu çalışmada, COSMO-CLM (Consortium for Small – Scale Modelling – Climate Limited – area Modelling) sınırlı alan iklim modeli yaklaşık 10-12 km çözünürlükle Türkiye üzeri için koşturulmuştur. Çalışma kapsamında, Türkiye üzerinde farklı COSMO-CLM konfigürasyonları kullanılarak duyarlılık analizleri yapılmıştır. Hidrostatik olmayan COSMO-CLM modeli sınırlı bir alan üzerinde koşturulduğundan başlangıç ve yanal sınır değerleri ERA-Interim re-analiz verilerinden oluşturulmuştur. Model performansı yüzey, konveksiyon, radyasyon ve bulut şeması dahilinde farklı fiziksel parametrizasyonlar aracılığıyla değerlendirilmiştir. Bu kapsamda Türkiye Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nün yıllık toplam yağış verilerine dayanarak bir kurak ve bir ıslak yıl olarak sırasıyla 2008 ve 2009 yılları seçilmiştir. Son on yıllık periyot içinden seçilen kurak ve ıslak yılların sıcaklık ortalamaları benzerlik göstermektedir. Ancak yıllık toplam yağış ortalamaları 2008 ve 2009 yılları için sırasıyla 504 mm ve 815 mm'dir. Bu durum göz önüne alınarak, son on yıllık periyotta kurak ve ıslak yılları temsilen 2008 ve 2009 yılları seçilmiştir. Model simülasyonları bu iki yılı kapsayan, 1 Ağustos 2007 ile 31 Aralık 2009 tarihleri arasındaki periyot için gerçekleştirilmiştir. Model içinde varsayılan albedo ve aerosol parametrizasyonları ve kritik bağıl nemin düşey değişimini temsil eden parametre değerleri değiştirilerek, farklı sınır yumuşatma (nudging) teknikleri için toplam olarak dokuz farklı simülasyon yapılmıştır. Öncelikle COSMO-CLM'in varsayılan seçenekleri (default options) ile yapılan kontrol simülasyonu, farklı seçeneklerin kullanıldığı simülasyonlarla, MSWEP yağış veri setiyle ve istasyon gözlem verileriyle karşılaştırılmıştır. Duyarlılık analizi deneylerinde üç parametre incelenmiştir; aerosol, albedo ve kritik nemin düşey değişimi. Parametreler Bucchignani vd. (2015) tarafından yapılan duyarlılık çalışmasına göre seçilmiştir. Aerosoller, konsantrasyonları, boyut dağılımları ve kimyasal bileşimleri ile radyasyon açışından iklimi etkiler. Özellikle toz aerosollerin ışınım etkisi atmosferi ısıtır ve bu da konvektif hareketi durdurur. Bunun üzerine de bulutluluk ve yağışlar azalır (Tegen, 1996). Aerosol dağılımı için iki seçenek kullanılmıştır; Tanré aerosol dağılımı (Tanré et al., 1984) ve NASA-GISS aerosol dağılımı (Tegen ve Lacis, 1996 ve Tegen et al., 1996). Ayrıca albedoda görülen artış, güneş radyasyonu akısına bağlı olarak bulutluluğu ve yağışı azaltır (Lawrence ve Chase, 2007). Albedo için ise model içindeki dört seçenekten ikisi kullanılmıştır; her yüzey için sabit değer ve kuru ve doymuş yüzeyler için ayrı değerlere sahip MODIS verisi. Öte yandan, kritik nemin düşeydeki değişimi parametresi bulut oluşumu içindir. Bulutlar, radyatif enerji bütçesinden dolayı iklim sistemleri için büyük öneme sahiptirler. Model içerisinde bu parametre için kullanılan değer 0.8 iken duyarlılık analizi kapsamında 1.1 ve 1.5 ile model çalıştırılmıştır. Bunlara ek olarak, sınır yumuşatma tekniği ile model performansını arttırmak hedeflenmiştir. 850 mb ve 500 mb üzerlerinde iki farklı konfigürasyon ile sınır yumuşatma tekniği kullanılmıştır. MSWEP yağış veri seti, Hylke Beck (Princeton Üniversitesi, Pricton, NJ, ABD) tarafından geliştirilmiştir. Mekansal çözünürlüğü 0.1° ve zamansal çözünürlüğü 3 saatlik küresel yağış verisi ölçüm, uydu ve reanaliz verilerinin kombinasyonudur. Türkiye Meteoroloji Genel Müdürlüğü'nün yağış ve sıcaklık için ortak 212 istasyonundan alınan gözlem verileri kullanılmıştır. Model sonuçları, gözlem noktalarına göre çift doğrusal ara değerleme (bilinear interpolation) yapılarak karşılaştırılmıştır. Model performansının daha ayrıntılı incelenebilmesi için Ünal vd. (2003) tarafından yeniden belirlenmiş Türkiye iklim bölgelerine göre de ayrıca bölgesel analizler yapılmıştır. Bölgeler Marmara Bölgesi, Karadeniz Bölgesi, Ege Bölgesi, İç Anadolu Bölgesi, Doğu Anadolu Bölgesi, Akdeniz Bölgesi ve Güneydoğu Anadolu Bölgesi olmak üzere birden yediye kadar numaralandırılmıştır. Bölgeler üzerinde bulunan istasyon noktalarının yükselti ortalamaları sırasıyla 113 m, 239 m, 1182 m, 468 m, 1823 m, 190 m ve 1135 m'dir. Model sonuçlarının ve gözlem verilerinin bölgesel olarak ortalamaları alınarak hem referans konfigürasyonu ile hem de gözlem verileri ile farklar hem yıllık ortalama sıcaklık için hem de yıllık toplam yağış için hesaplanmıştır. İstasyon noktalarının bulundukları konumlar ve modelin bu noktalara eşdeğer olarak kullandığı konumlar arasındaki yükselti farkından dolayı model sonuçlarında yağışların karmaşık topoğrafya üzerinde fazla sonuçlar ürettiği görülmektedir. Modelin istasyon noktalarından baz aldığı konumların yükseltileri yaklaşık 10-12 km çözünürlükte çalışıldığından dolayı gerçekten daha fazladır. Bu durum hem Türkiye'nin karmaşık topoğrafyasına hem de simülasyonların çözünürlüğüne bağlıdır. Kurak ve ıslak yıl için yıllık ortalama sıcaklık model sonuçları öncelikle referans konfigürasyonu ile kıyaslanmıştır. Her iki yıl için yapılan karşılaştırmalara göre B1 ve C1 duyarlılık konfigürasyonları hariç diğerleri, referansa göre Türkiye üzerinde ortalama 1-2°C fazla sonuçlar üretmektedirler. B1 ve C1 konfigürasyonlarının referansa göre farkları -0.5°C ve 0.5°C derece aralığında değişmektedir. Ayrıca her iki yıl için gözlem verileri ile karşılaştırma yapılmıştır. Elde edilen sıcaklık model verilerine göre gözlem verilerinden daha düşük sıcaklıklar üretilmiştir. Bu durum tüm Türkiye üzerinde benzerdir. Ancak 2009 yılında Türkiye'nin doğusunda bazı istasyonlar üzerinde daha fazla sıcaklıklar üretildiği görülmektedir. Yıllık toplam yağış için de öncelikle modelin kendi içindeki farklılıklara bakılmıştır. Sekiz farklı duyarlılık simülasyonu sonuçlarının referans simülasyonu sonucundan farkları tüm alan için görselleştirilmiştir. Sınır yumuşatma tekniği dışında diğer duyarlılık simülasyonları Türkiye üzerinde benzer dağılımda yağış üretmektedir. Ancak albedo verisinin değiştirildiği simülasyonların sonuçlarında daha yoğun azalmalar ve artışlar görülmektedir. Bu da albedonun bölge üzerinde hassasiyet yarattığını göstermektedir. MSWEP veri seti ile yapılan karşılaştırmalarda COSMO-CLM modelinin özellikle İç Anadolu Bölgesi haricinde yağışları her iki aşırı iklim yılı süresince de daha az tahmin ettiği görülmektedir. Bunun yanında, ıslak yıl için yapılan tahminlerde farklar kurak yıla göre daha yoğundur. Yıllık toplam yağışlarda iyileştirmeleler yaklaşık %10'dur. Ayrıca gözlem verileriyle yapılan yanlılık hesaplamalarından da anlaşıldığı üzere kritik bağıl nemin düşeydeki değişimi de Türkiye'nin kuzey bölgesinde yağışları arttırırken geri kalan kısımlarda düşük yağış tahminlerine neden olmaktadır. Bunlara ek olarak, 850 mb seviyesinde sınır yumuşatma tekniği ile yapılan konfigürasyon yağışları standart konfigürasyona göre daha düşük simule etmektedir ve farklar 90mm'lere yaklaşmaktadır. Bu durum hem kurak hem de ıslak yıl için geçerlidir. Bir sonraki sınır yumuşatma teknikli konfigürasyon 500 mb seviyesinde çalıştırılmıştır. Yağışlardaki azalma 850 mb seviyesine göre daha düşüktür. Modelin bölgesel performansına bakıldığında özellikle yaz ve sonbahar mevsimlerinde bölgeler üzerinde kullanılan yeni albedo ve aerosol dağılımları, kritik nem parametresinin düşeydeki katsayısını arttırmak ve sınır yumuşatma tekniklerinin sıcaklığa olumlu etkileri görülmektedir. Kullanılan hassasiyet değişkenleri modelin bütün mevsimler ve yıl boyunca olan performansını arttırmaktadır. Model genel olarak Türkiye'nin iklim bölgeleri üzerinde daha fazla yağış sonuçları tahmin etmektedir. Yapılan çalışmalar neticesinde NASA-GISS aerosol dağılımı, MODIS albedo verisi, 1.1 değerindeki kritik nemin düşey değişimi parametresi ve 500 mb seviyesinde sınır yumuşatma tekniği ile hazırlanan D2 konfigürasyonunun en az yanlılık değerleri ile hem genel çalışma alanı için hem de bölgesel olarak en iyi sonuçları verdiği görülmektedir. Bununla birlikte, 9 duyarlılık çalışmasının tamamında yağışlardaki yanlılıktaki iyileşme en fazla %10 civarındadır. Yükseltinin fazla olduğu bölgelerde yıllık toplam yağış yanlılık değerlerinin fazla olması bu bölgelerin yükselti gradyanlarıyla ilişkilendirilebilir. Bölgesel iklim modellemesi için yağışların ve su döngüsünün doğru temsil edilmesi kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, çalışma sonucunda gördüğümüz özellikle deniz ve kara sınır çizgileri yakınındaki model kuraklığını azaltmak için duyarlılık çalışmalarına devam edilmesi gerekmektedir.