RİVA PLAJINDA YAKIN KIYI DALGA MODELLEMESİ

Transkript

1 RİVA PLAJINDA YAKIN KIYI DALGA MODELLEMESİ ÖZET Sabri MUTLU, SHODB*, Murat ELGE, SHODB*, Riva Plajında, yüksek çözünürlüklü derinlik ve ECMWF ERA-Interim rüzgar verisi kullanılarak son yılların en şiddetli fırtına dönemi (5-21 Şubat 2012) boyunca SWAN uygulanarak yakın kıyı dalgası benzeştirilmiştir. Açık deniz koşulları için Karadeniz in tamamında durgun (stationary) ve durgun olmayan (non-stationary) SWAN modelleri koşturulmuştur. Tahminler Riva da konuşlu dalga ölçüm şamandıra verisi ile kıyaslanmıştır. SWAN modellerinin fırtına dönemini belirgin dalga yüksekliği ve ortalama dalga periyodunu daha düşük tahmin ederek yakaladığı tespit edilmiştir. Near Shore Wave Modelling At Riva Beach The near shore wave during the most severe storm period of recent years (5-21 Feb 2012) was simulated by implementing SWAN at Riva Beach via the high resolution bathymetry and ECMWF ERA-Interm wind data. For the open sea conditions, stationary and non-stationary SWAN models were run over the entire Black Sea. The estimations were compared with the wave measurement buoy located at Riva. It was determined that SWAN models catches the stormy period by underestimeting the significant wave height and mean wave period. Anahtar Kelimeler: Riva Plajı, Karadeniz, SWAN, Yakın Kıyı Dalga Modeli * Seyir, Hidrografi ve Oşinografi Dairesi Başkanlığı, Çubuklu - İstanbul GİRİŞ Koy, körfez ve plaj gibi yakın kıyı bölgelerimizde doğruluğu yüksek dalga tahmin modellerinin kurulması kıyılarımızdaki dalga hareketlerinin önceden belirlenmesi, ölçüm yapılamayan bölgeler için dalga ikliminin oluşturulması, kıyısal alanlarda dalga enerjisi potansiyelinin tespit edilmesi ve kıyısal alanda gerçekleştirilecek mühendislik yapılarındaki dalga etkisinin hesaplanması için gerekmektedir. Yapılan çalışmada Riva Plajı açıklarına konuşlandırılmış dalga ölçüm şamandırasından elde edilen veriler ile yakın kıyı dalga benzeşim modeli olarak tüm dünyada yaygın olarak kullanılan ülkemizde de Meteoroloji Genel Müdürlüğünün tercihi olan üçüncü kuşak sayısal dalga benzeşim modeli SWAN (Simulating Waves Nearshore) kullanılmıştır. Modelde ihtiyaç duyulan rüzgâr verisi ECMWF'in ERA-Interim tekrar analiz veri setinden elde edilmiştir. Riva Plajı'na gelen dalga enerjisi spektrum değerleri için tüm Karadeniz'de daha düşük çözünürlükte SWAN koşturulmuştur. Karadeniz dalga benzeşim modelinin sonuçları Riva Plajı dalga benzeşim modelinin sınır koşulu girdisini oluşturmuş ve Riva Plajı Dalga modeli daha yüksek çözünürlükte derinlik verisi kullanılarak durgun özellikte çalıştırılarak sonuç karşılaştırmaları yapılmıştır. 753

2 MATERYAL VE METOD Çalışma Sahaları ve Derinlik Verileri: Model çalışma sahası olarak tercih edilen Riva Plajı, İstanbul Beykoz ilçesinin Riva köyünde 'D ile 'D boylamları ve 'K ile 'K enlemleri arasındaki kalan bölgedir. Plaj uzunluğu yaklaşık 7.5km dir. Çayağzı Deresinin doğusu halka açık olup dinlenme ve denize girme amaçlı olarak kullanılmaktadır yılından sonra farklı zaman aralıklarında SHODB tarafından toplanmış çok ışınlı ve bir ışınlı derinlik verileri derlenmiştir. Veri olmayan noktalara lineer interpolasyon yöntemiyle değer atanmıştır. Böylece, x için 'lik (~84m), y için ise 'lik (~55.5m) çözünürlükte düzgün karelaj model derinlik dosyası oluşturulmuştur. Model hesaplama çözünürlüğü derinlik çözünürlüğü ile aynı olup 57x41'lik bir matristen ibarettir. Riva Plajı'na gelen dalga enerjisi spektrum değerleri için tüm Karadeniz'de daha düşük çözünürlükte başka bir SWAN modeli koşturulmasına ihtiyaç duyulmuştur (iç içe geçmiş karelajlar). Karadeniz'i kaplayan bu dalga benzeşim modeline ait derinlik verileri ise GEBCO_08 (IOC, IHO & BODC, 2003) veri setinden temin edilmiştir. Söz konusu veri seti küresel derinlik ve yükseklik verisini açısal 30 çözünürlükte sunmaktadır. Veri setinden Karadeniz'i tamamen kaplayacak şekilde 27 D ve 42 D boylamları, 40 K ve 48 K enlemleri arası kesilip SWAN dalga benzeşim modeline uygun biçime çevrilmiştir. Model hesaplama çözünürlüğü derinlik çözünürlüğü ile aynı olup x çözünürlükte 1800x960'lık bir matristen ibarettir. Rüzgar Verileri: Rüzgar dalga modelleri için en önemli girdilerden birisi şüphesiz rüzgar verisidir. Rüzgar verisini hem alansal hem de zamansal boyutta yüksek çözünürlükte bulmak ise oldukça güçtür. Ancak ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) geçmişe yönelik tekrar analiz veri setleri ile bu talebe cevap vermektedir. Çalışmada ECMWF tekrar analiz veri setlerinden (örneğin DETEMER, ECSN, ELDAS, ENSEMBLES, MACC, MERSEA, PROVOST, TIGGE, TOST, ERA-15 ve ERA-40) ERA-Interim (Dee v.d., 2011) en son tekrar analiz veri seti olması sebebiyle tercih edilmiştir. ERA-Interim veri setinden 10m de rüzgar bileşenleri (10U, 10V) 0.1 x0.1 çözünürlükte indirilmiştir. Veri zaman aralığı 6 saattir. 754

3 Şekil :00 UTC ERA-Interim rüzgar yönü ve hızı (m/sn) grafiği Şekil 2. Şamandıra konumu ve Riva Plajı Dalga Şamandırası Verileri: Model sonuçlarının kıyaslandığı yerinde ölçüm dalga verisi, SHODB tarafından 'D ve 'K noktasında (derinlik 19m) konuşlandırılmış dalga ölçüm şamandırasından temin edilmiştir. Şamandıra yatayda belli bir yarıçapa ve dikeyde belli bir yüksekliğe kadar serbest hareket edebilmektedir. Bu hareketi; içinde bulunan ivme ölçer, küresel konumlandırma sistemi, pusula ve gömülü yazılım sayesinde her yarım saatte bir hem istatistiksel hem de spektral dalga parametrelerine dönüştürmektedir. Çalışmada spektral analiz 755

4 sonucu elde edilmiş belirgin dalga yüksekliği (H s) ve ortalama dalga periyodu (Tm01) parametreleri ERA-Interim veri seti zaman noktalarına (6 saatte bire) indirgenerek kullanılmıştır. Yakın Kıyı Dalga Benzeşim (SWAN) Modeli: Riva Plajı ve Karadeniz sahasında rüzgar dalgasının oluşumunu ve hareketini benzeştirmek için üçüncü nesil dalga tahmin modellerinden son zamanlarda dünya çapında ilgi gören SWAN (Simulating WAves Nearshore) çalışma boyunca tercih edilmiştir. SWAN yakın kıyı dalga dönüşümlerini ve etkileşimlerini büyük ölçüde içermektedir (SWAN, 2013a). SWAN; verilen rüzgar, derinlik ve akıntı şartları için dalga parametrelerinin gerçekçi tahminlerini elde etmek için kullanılan yeni nesil yapılandırılmamış ağ sistemi üzerine kurulu bir üçüncü nesil sayısal rüzgar-dalga tahmin modelidir. Model, açık deniz ve yakın kıyı bölgelerinde rüzgar kaynaklı dalga ile soluğan gelişimini, transformasyonunu ve enerji kaybederek değişimini benzeştirmektedir. SWAN Hollanda da Delft University of Technology tarafından geliştirilmiştir (Akpınar, 2012). SWAN, dalgaları iki boyutlu dalga hareket yoğunluk spektrumunda Eularian formülasyonuna göre tanımlamaktadır. Kartezyen koordinatlarda dalga spektrumunun oluşması spektral hareket denge eşitliği ile (1) açıklanmaktadır. Soldan birinci terim ( N/ t) hareket yoğunluğunun zamanla değişimini, ikinci ve üçüncü terimler (c x, c y,sırasıyla x ve y yönlerindeki dalga yayılma hızları) coğrafik alandaki hareket yoğunluğunun yayılmasını, dördüncü terim (c σ, σ yönündeki dalga yayılma hızı) rölatif frekansın derinliğe ve akıntıya bağlı olarak değişimini ve beşinci terim de (c θ, θ yönlerindeki dalga yayılma hızı) dalganın derinlik ve akıntı etkileşimli sapmasını ifade ederler. (1) Denklem 1 in sağında kalan S tot terimi dalga oluşumunun, dağılmasının ve lineer olmayan dalga-dalga etkileşiminin etkilerini temsil eden kaynakların toplamını ifade eder. Bu kaynaklardan ilki olan S inp ifadesi alansal rüzgar enerjisinin barındırdığı kinetik enerjinin dalga enerjisine dönüşümünü hesaplamaktadır. S ds,w terimi denizin köpüklenmesiyle oluşan enerji kaybını, S ds,b terimi taban sürtünmesi kaynaklı enerji kaybını, S ds,br terimi de derinlik etkileşimli kırılma sebebiyle enerji kaybını ifade ederler. Derin sulardaki dörtlü dalga-dalga etkileşimini ve sığ sulardaki üçlü dalga-dalga etkileşimini sırasıyla S nl4 ve S nl3 terimleri ifade etmektedir. Söz konusu süreçlere ait detaylı bilgi SWAN 2013b dokümanında bulunmaktadır. (2) 756

5 Modellerin Koşulması: Benzeşim performansının ölçülebilmesi için son yılların en fırtınalı dönemi olan 5 21 Şubat 2012 tarihleri arası tercih edilmiştir (Galabov vd., 2012). Bu döneme ait ERA-Interim tekrar analiz (6 saat aralıklı ve 0.1 x0.1 alansal çözünürlüklü) rüzgar verileri SWAN girdisi olacak şekilde hazırlanmıştır. Öncelikle durgun durum senaryosu varsayılan SWAN ayarlarıyla incelenmiştir. Karadeniz de durgun durum SWAN koşturulmuş (KRD_STA) ve ardından iç içe düzgün karelaj yöntemiyle durgun durumda Riva Plajı (RVA_STA) koşturulmuştur. Daha sonra model tahmin performansını arttırmak için durgun olmayan durum senaryosuna geçilmiş ve durgun durumda etkin olmayan taban sürtünmesi ve sığ sularda lineer olmayan üçlü dalga-dalga etkileşimi aktive edilmiştir. Ancak Riva Plajı sahasının çok küçük olması sebebiyle durgun durum modeli (RVA_NON), durgun olmayan durum modelinin (KRD_NON) içine entegre edilmiştir. Rüzgar dalgalarının tamamını kapsaması için model çalışmalarında dalga frekansı aralığı 0.04 Hz ile 1 Hz arası seçilmiştir. SWAN 2013a tavsiyesi üzerine yönsel çözünürlük 10 olarak belirlenmiştir. Ayrıca Karadeniz ve Riva da ortam akıntısı yok kabul edilmiştir. Modellere ait detaylı bilgiler Tablo 1 de yer almaktadır. Tablo 1. Modellerde kullanılan SWAN ayarları SEÇENEKLER / MODEL KRD_STA KRD_NON RVA_STA RVA_NON SWAN MODU DURGUN DURGUN OLMAYAN ( t: 3 dk) DURGUN DURGUN HESAPLAMA/DERİNLİK ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ( x, y) x x θ 10 FREKANS(ƒ) ARALIĞI Hz ƒ (LOGARİTMİK) 36 RÜZGAR ÇÖZÜNÜRLÜĞÜ ( x, y- t) GEN3 (KÖPÜKLENME, 4'LÜ DALGA-DALGA ETKİLEŞİMİ) ERA Interim, 0.1 x0.1-6 saat X X X X DERİNLİK ETKİSİYLE KIRILMA X X X X TABAN SÜRTÜNMESİ X X 3'LÜ DALGA-DALGA ETKİLEŞİMİ X X 757

6 SONUÇ ve ÖNERİLER Riva Plajı yakın kıyı dalga benzeşim modeli için iç içe geçmiş düzgün karelaj yöntemi son yılların en dalgalı döneminde test edilmiştir. Öncelikle Karadeniz de GEBCO_08 veri setinden SWAN derinlik dosyası üretilmiştir. ECMWF ERA-Interim veri setinden 10m rüzgar bileşenleri ile model iki farklı durumda (durgun ve durgun olmayan) zorlanmıştır. Durgun olmayan SWAN modunda taban sürtünmesi ve üçlü dalga-dalga etkileşimi algoritmaları etkin hale getirilmiştir. Sonrasında her iki model içerisine yüksek çözünülürlüklü derinlik verisinden hazırlanmış Riva Plajı sahası eklenmiştir. Model sonuçları dalga ölçüm şamandırası verileri ile kıyaslanmıştır. Şekil 3, 4 ve 5 te de görüldüğü üzere SWAN modelleri fırtına dönemlerini yakalamış ancak daha düşük tahmin değerleri üreterek benzeştirmiştir. Durgun olmayan modun fırtına dönemlerini daha geç yansıtmasına rağmen daha uzun süre yansıttığı tespit edilmiştir. Karadeniz modellerinin içerisine yerleştirilen Riva Plajı modelinin aynı nokta için daha yüksek belirgin dalga yüksekliği değerleri ürettiği gözlenmektedir. Şekil 3. Şamandıra ve modellere ait belirgin dalga yüksekliği (m) değerleri 758

7 Şekil 4. Şamandıra ve modellere ait ortalama dalga periyodu (sn) değerleri Model sonuçlarının gerçek verilerle istatistiksel kıyaslanması için hataların karelerinin ortalamasının karekökü (RMSE), saçılım indeksi (SI) ve korelasyon katsayısı (R) belirlenmiştir (Tablo 2). Tablo 2. Hataların istatistiği DALGA YÖNÜ B. DALGA YÜKSEKLİĞİ ORTALAMA D. PERİYODU RMSE SI R RMSE SI R RMSE SI R KRD_STA KRD_NON RVA_STA RVA_NON Tablo 2 ye göre en iyi dalga yönü tahminini durgun olmayan Karadeniz modeli (KRD_NON) üretmiştir. Belirgin dalga yüksekliği ve ortama dalga periyodu değeri açısından ise en iyi sonucu durgun olmayan Karadeniz modeli içine entegre edilmiş durgun durum Riva Plajı modeli (RVA_NON) üretmiştir. Bunun sebebi durgun durumun önceki dalga enerjisini göz ardı etmesidir. 759

8 760

9 Şekil 5. Saçılım Diyagramları İç içe geçmiş karelaj yöntemiyle yapılacak modelleme çalışmaları için iyileştirme önerilerini şu şekilde sıralayabiliriz. Birincil olarak Karadeniz sahasında en uygun açık deniz katsayılarının belirlenmesi gerekmektedir. Daha sonrasında Riva Plajının dip yapısına göre taban sürtünme katsayısı belirlenmelidir. Ayrıca ortam akıntı verisi ile daha iyi sonuçlar üretmek mümkündür (Rusu, 2010). Şekil 5. Riva Plajı Dalga Durumu (m) RVA_NON, :00 UTC 761

10 TEŞEKKÜR Riva Plajına ait derinlik verilerinin hazırlanmasındaki katkılarından Sey.Kd.Bçvş. Ahmet Gerede ye ve dalga ölçüm şamandıra verilerinin sağlanması konusundaki desteğinden Fizik Müh. Mehmet Cihan Aktaş a teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Akpınar, A. (2012): Karadeniz de Dalga Modellemesi Ve Dalga Gücü Potansiyelinin Belirlenmesi. İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi. Akpinar, A., G.Ph. van Vledder, Kömürcü, M.İ., ve Özger, M. (2012): Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea, Continental Shelf Research, 50-51, Booij, N., Ris, R.C., ve Holthuijsen, L.H. (1999): A third-generation wave model for coastal regions, 1, Model description and validation, J. Geophys. Res., 104, C4. Dee DP, Uppala SM, Simmons AJ, Berrisford P, Poli P, Kobayashi S, Andrae U, Balmaseda MA, Balsamo G, Bauer P, Bechtold P, Beljaars ACM, van de Berg L, Bidlot J, Bormann N, Delsol C, Dragani R, Fuentes M, Geer AJ, Haimberger L, Healy SB, Hersbach H, Holm EV, Isaksen L, Kallberg P, Kohler M, Matricardi M, McNally AP, Monge-Sanz BM, Morcrette J-J, Park B-K, Peubey C, de Rosnay P, Tavolato C, Thepaut J-N, Vitart F. (2011): The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilation system. Q. J. R. Meteorol. Soc. 137: DOI: /qj.828 Galabov V., Kortcheva A., Dimitrova M. (2012): Towards a system for sea state forecasts in the Bulgarian Black Sea coastal zone: the case of the storm of February, 2012SGEM2012 Conference Proceedings/ ISSN , Vol. 3, pp, DOI: /SGEM2012/S14.V3012. IOC, IHO and BODC (2003): Centenary Edition of the GEBCO Digital Atlas, published on CD-ROM on behalf of the Intergovernmental Oceanographic Commission and the International Hydrographic Organization as part of the General Bathymetric Chart of the Oceans, British Oceanographic Data Centre, Liverpool, U.K. Ou, S.H., Liau, J.M., Hsu, T.W. ve Tzang, S.Y. (2002): Simulating Typhoon Waves By SWAN Wave Model In Coastal Waters Of Taiwan. Ocean Engineering, 29(8),

11 Ris, R.C., Holthuijsen, L.H. ve Booij, N. (1999): A Third-Generation Wave Model For Coastal Regions: 2. Verification. J. Geophys. Res., 104(C4), Rusu, E. (2010): Modelling Of Wave-Current Interactions At The Mouths Of The Danube. Journal of Marine Science and Technology,15, SWAN (2013a): SWAN Cycle III Version 40.91AB User Manual, SWAN Team, Delft University of Technology, Netherlands. SWAN (2013b): SWAN Cycle III Version 40.91AB Scientific And Technical Documentation, SWAN Team, Delft University of Technology, Netherlands. Van der Westhuysen, A., J. (2002): The Application of the Numerical Windwave Model SWAN to a Selected Field Case on the South African Coast, Master Thesis, The University of Stellenbosch, Civil Engineering Department, South Africa. 763

12