TÜRKİYE DENİZLERİ DALGA İKLİM MODELİ VE UZUN DÖNEM DALGA İKLİM ANALİZİ

Transkript

1 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu TÜRKİYE DENİZLERİ DALGA İKLİM MODELİ VE UZUN DÖNEM DALGA İKLİM ANALİZİ Yalçın Yüksel, Esin Çevik, Burak Aydoğan, Anıl Arı, K. Emre Saraçoğlu, Remziye Alpli, Burak Bekar Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Müh. Bölümü, Hidrolik ve Kıy-Liman Müh. Lab. İstanbul Özet Kıyı bölgelerini etkileyen rüzgar ve dalgaların genel özelliklerini belirten rüzgar ve dalga ikliminin ortaya konması kıyı mühendisliğinin çalışma alanları için oldukça önemlidir. Yeterince uzun dönemli dalga kayıtlarının mevcut olmadığı durumlarda rüzgar ile dalga arasındaki etkileşim mekanizması dikkate alınarak, ölçülmüş rüzgar verilerinden dalga iklimi belirlenebilmektedir. Bu çalışmada, Türkiye denizleri için rüzgar ve derin deniz dalga iklimi arasındaki ilişki sayısal olarak modellenerek elde edilmiştir ve bu denizlere ait belirgin dalga yüksekliği ile ortalama dalga periyodu arasındaki ilişki verilmiştir. Modelling of Wave Climate and Long Term Wave Analyses for Turkish Coasts Abstract The Hydrodynamic impact of sea waves on coastal regions is one of the significant subjects of coastal engineering in which waves parameters are the main factors to be considered in the case of planning and construction of coastal and offshore structures. Under circumstances in which the long-term wave data were not available, the desigation of wave climate is posible by using the wind data. In this study, The wind and offshore wave climate was determined for the Seas surrounded Turkey with the utilization of wind the data and the relations between significant wave heights and mean wave periods. Anahtar Kelimeler: Dalga Modeli, Dalga Dikliği, Türkiye Denizleri 1. Giriş Karaların denizlerle buluştuğu bölgeler dalga, akıntı ve fırtına gibi çevresel etkilerin tesirinde kalırlar. Kıyı bölgeleri, dünyanın hava-deniz-kara kütlelerinin kesiştiği alanlardır. Çevresel etkilerin kara ile yaptığı bu karmaşık etkileşim kıyı hidrolik sistemini oluşturmaktadır. Kıyı hidroliğinin temel konusu ise dalgalardır.

2 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Dalgalar ise rüzgar enerjisinin su yüzeyine geçmesiyle su yüzeyinde meydana gelen salınımlar olarak kısaca tariflenebilir. Oluşan bu dalgalara rüzgar dalgaları adı verilir. Dalgalar oluşum nedenlerine göre, rüzgar dalgası, ölü deniz dalgası, surf salınımı, seiche, çalkantı, tsunami, gel-git ve fırtına kabarması olarak sınıflandırılmaktadırlar. Ancak kıyı yapılarının tasarımı, planlanması vb. aşamalarda rüzgar dalgalarının mekaniği kıyı ve liman mühendisliğinin hidroliği açısından çok büyük önem arz etmektedir. Bir kıyı bölgesini etkileyen rüzgar ve dalgaların genel özelliklerini belirten rüzgar ve dalga ikliminin ortaya konması hemen hemen tüm kıyı ve deniz etkinlikleri için temel bir unsurdur (Özhan ve Abdallah, 1999). Ancak rüzgar ve derin deniz dalga ikliminin belirlenmesi oldukça zahmetli ve maliyetli bir iştir. Bu nedenden dolayı Türkiye gibi üç tarafı denizlerle çevrili bölgelerde özellikle dalga iklimini belirlemek oldukça maliyetli bir çalışma olacaktır. Ancak dalga ikliminin de sağlıklı olarak elde edilebilmesi uzun dönemli dalga ölçümüne gereksinim duymaktadır. Türkiye kıyıları göz önünde bulundurulduğunda bu çok uzun kıyı alanı için uzun dönemli dalga ölçümlerine sadece belirli bölgeler için mevcuttur. Uzun dönemli dalga ölçümlerinin mevcut olmadığı kıyı alanlarında ise ölçümü dalga ölçümlerine nazaran daha kolay olan rüzgar verileri kullanılarak gelişmiş bilgisayar programları yardımıyla dalga parametrelerine ulaşmak mümkündür. Yapılan bu çalışmada da bu amaçlanmıştır. Yapılan çalışmanın daha iyi anlaşılabilmesi için çalışmaya ilişkin akış diyagramı Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1 Akış diyagramı Yapılan uzun dönem dalga istatistiği çalışmalarının sonuçları kullanılarak, Kamphuis (2010) tarafından tanımlanan belirgin dalga yüksekliği ile ortalama dalga periyodu sonuçları arasındaki ilişkiye yönelik yöntem kullanılarak Karadeniz, Marmara, Ege ve Akdeniz e ait dalga dikliği bağıntıları belirlenmiştir. 2. Türkiye Denizleri Dalga İklim Model Analizi Sayısal dalga modellerinde yüzey dalgalarının tanımlaması istatistiksel bir tanımlama gerektiren çok sayıda düzensiz elemana sahiptir. Dalga alanını belirleyen istatistiksel parametreler belirli bir konumdaki ve belirli bir zamandaki koşulları karakterize etmektedir. Dalgaların etkili bir şekilde değiştiği bir modelde dalgadaki değişimi belirleyebilmek için ağ boyutlarının (zaman adımı ve konum) yeterince küçük seçilmesi gerekmektedir.

3 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Dalga alanının tanımlanmasında en çok kullanılan ifade hem frekans hem de yönün dikkate alındığı dalga-yoğunluk spektrumudur ve E f, ile gösterilmektedir. Burada f frekansı. ise yayılma yönünü göstermektedir. Bu gösterim. E f, spektral bileşenleri ile ilgili dalga fiziği hakkında bilinenlerin nasıl yorumlanacağının zaten bilinmesinden dolayı kullanışlı olmaktadır. Bütün bileşenler çok iyi anlaşılmış bir teoriye sahip sinüzoidal dalga olarak düşünülebilmektedir. Spektrum kullanılarak operasyonel bir dalga modelinden beklenen bir çok parametre (belirgin dalga yüksekliği. frekans spektrumu. pik frekans. yönsel spektrum. hakim dalga yönü vb.) hakkında fikir sahibi olunabilmektedir. Bütün modeller bu tanımlamayı kullanmayabilirler. Daha basit modeller. genellikle doğrudan rüzgardan tanımlanan yönsel karakteristikler ile belirgin dalga yüksekliği ya da frekans spektrumunun tahminine dayanmaktadırlar. Bilgisayar modelleri için en genel formülasyon. zaman ve konumda yüzey ağırlık dalgalarının gelişimini tanımlayan spektrumun enerji-denge denklemi aşağıdaki gibidir. E ce S S S S t g t in nl ds burada; E E f,,x,t spektrumu (yüzey değişim spektrumu), c c f, yayılma yönüne ( ) ve frekansa (f) bağlı olarak iki boyutlu yönsel dalga g g (1) derin deniz dalga grup hızıdır, S t :net kaynak fonksiyonudur ve şu üç terimi içermektedir: S in : rüzgardan alınan enerji, S nl : dalgadalga etkileşimi ile lineer olmayan enerji transferi, S ds : enerji kaybı. Rüzgar verisi olarak Londra kaynaklı ECMWF (European Center for Medium-Range Weather Forecasts) Era Analiz verileri temin edilmiş ve Türkiye Denizleri için rüzgar gülleri çizdirilmiştir. Modelleme aşamasında ise 3. nesil dalga modeli olan Mike 21 SW bilgisayar programında bu rüzgar verileri girdi olarak kullanılmıştır. Karadeniz kıyılarında Gelendhzik, Hopa, Sinop, Filyos ve Karaburun, Marmara Denizi kıyılarında ise sadece Ambarlı, Ege Denizi kıyılarında Bozcada, Akdeniz kıyılarında ise Dalaman ve Alanya ölçüm istasyonundan elde edilen dalga parametreleri kullanılarak model kalibrasyonları gerçekleştirilmiştir. Kalibrasyon aşamasının ardından, 12 yıllık dönem için ( yılları) model çalışmaları tamamlanmıştır. Model sonuçları kullanılarak, dalga gülleri, belirgin dalga yüksekliğiortalama dalga periyodu grafikleri, derin deniz belirgin dalga yüksekliği eklenik aşılma olasılığı dağılımları ve denklemleri ile derin deniz en büyük belirgin dalga yüksekliği istatistikleri elde edilmiştir. Bu sonuçlar Türkiye Kıyıları için Rüzgar ve Derin Deniz Dalga Atlasıyla (Özhan ve Abdallah, 1999) karşılaştırılmıştır. Yukarıda bahsedilen tüm sonuçlar Dalga Atlası nda tanımlanan istasyonlarda elde edilmiştir. Dalga modellemesinde kullanılan MIKE 21 SW yazılımında girdi olarak model parametreleri dışında tüm Karadeniz in batimetresi ve atmosferik basınç ile rüzgar alanı girilmiştir. Batimetri için Deniz Kuvvetleri Komutanlığı SHOD dairesi komutanlığının ürettiği haritalar sayısallaştırılarak kullanılmıştır. Rüzgar ve atmosferik basınç alanına ait veriler için Londra kaynaklı ECMWF (European Center For Medium-Range Weather Forecasts) kullanılmıştır. ECMWF, çok sayıda ölçüm istasyonundan elde edilen verileri kullanarak farklı atmosfer modellerinin kalibrasyonu ve analizleri yardımıyla atmosferik basınç ve rüzgar alanlarını belirlemektedir. Bu çalışma için 0.1º x0.1º çözünürlükte, arasında 40 yıllık zaman süresine ait rüzgar ve atmosferik basınç alan verileri ile arasında 19 yıllık zaman süresine ait sırasıyla ERA Analiz ile ERA Forecast rüzgar ve atmosferik basınç alan verileri analiz edilmiştir. Ancak bu çalışmada ECMWF in gelişmiş ve yeni modeli olan ayrıca ölçümlere dayanan ERA Analiz verileri kullanılmıştır. ERA Analiz modelinden elde edilen 6 saat aralıklı rüzgar verileri analiz edilerek, Özhan ve Abdallah (1999) tarafından Dalga Atlasında tanımlanan tüm istasyonlar için ayrı ayrı rüzgar gülleri elde edilmiştir. Koşturulan olan modele ait sayısal ağın belirlenmesi amacıyla farklı ağ yapıları denenmiş ve

4 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu kalibrasyon aşamasında kullanılmıştır. Sayısal modelin kalibrasyonu aşamasında farklı sayısal şemalar dikkate alınmıştır. Bu şemalarda ölçüm yapılan her bölge için tüm istasyonların verileri göz önüne alınmış ve ayrıca sayısal modelin girdi parametrelerinden olan taban sürtünmesini, kırılma ve köpüklenmeyi tanımlayan 5 parametre dikkate alınmıştır. Bu parametreler farklı ağ yapıları ile birlikte göz önüne alınmıştır. Ancak yapılan çalışmalar modelin köpüklenme parametresine hassas olduğunu göstermiştir. Şekil 2 Karadeniz dalga ölçüm istasyonları Şekil 3 Marmara dalga ölçüm istasyonları Şekil 4 Ege ve Akdeniz dalga ölçüm istasyonları

5 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Modelin kalibrasyonu için Karadeniz de 5 istasyon (Şekil 2), Marmara denizi nde 1 istasyon (Şekil 3), Ege ve Akdeniz de 3 İstasyon da (Şekil 4) yapılan dalga ölçümleri dikkate alınmıştır. Türkiye denizlerinin dalga alanlarının modellenmesi için Karadeniz, Marmara denizi ve Ege- Akdeniz bölgeleri ayrı ayrı dikkate alınrak sayısal model alanları oluşturulmuştur (Şekil 5, 6 ve 7). Şekil 5 Karadeniz sayısal hesap ağı Şekil 6 Marmara Denizi sayısal hesap ağı Şekil 7 Ege ve Akdeniz sayısal hesap ağı

6 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Sayısal ağın kalibrasyonunda model parametrelerinin kalibrasyonunun yanısıra model ağının model stabilitesi ve doğruluğuna olan etkisi araştırılmış ve yeterli doğruluğa ulaşılan sayısal ağlar modelin koşturulmasında kullanılmıştır. Modelin stabilitesi üzerinde hassas olan kalibrasyon parametrelerinin aldığı değerler Tablo 1 de özetlenmiştir. Kalibrasyon Parametreleri Tablo 1 Kalibrasyon Parametreleri Bölgeler Karadeniz Marmara Ege Akdeniz Taban Sürtünmesi (Nikuradse) Kırılma Parametreleri Köpüklenme Parametreleri α γ C ds δ Modelin koşturulmasından sonra Türkiye denizlerinde farklı koordinatlardaki dalga parametreleri belirlenmiştir. Bunlar maksimum, belirgin dalga yükseklikleri, belirgin, pik, ortalama dalga periyotları gibidir. Dikkate alınan koordinatlar karşılaştırma kolaylığı açısından Dalga Atlası nın (Özhan ve Abdallah, 1999) tanımlamış olduğu koordinatlrla aynı seçilmiştir. Bu konumlar Karadeniz, Marmara denizi ve Ege Akdeniz için sırasıyla Şekil 8, 9 ve 10 da gösterilmiştir. Şekil 8 Karadeniz dalga iklimi hesaplama konumları

7 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 9 Marmara denizi dalga iklimi hesaplama konumları Şekil 10 Ege ve Akdeniz dalga iklimi hesaplama konumları Model sonuçlarının Dalga Atlası ile karşılaştırılması rüzgar ve dalga iklimi dikkate alınarak yapılmıştır. Sonuçlar genelde Karadeniz için yeterince uyumlu görülmesine karşın Marmar ve Ege Akdeniz için farklılıklar gözlemlenmiştir. Çünkü Dalga Atlası, Türkiye denizleri nin dalga alanlarının modellenmesinde yeteri ağ hassasiyetine sahip olmayan ECMWF verilerini kullanmıştır. Ancak bu çalışmada, ağ aralıkları ile ECMWF in ERA modeline ait rüzgar ve basınç alanı kullanılmıştır. Ayrıca, Ege ve Akdeniz de sayısal model sonuçları ile Dalga Atlası (Özhan ve Abdallah) arasında çıkan farkın, Dalga Atlası için yapılan modellemede Ege adalarının ve kıyı çizgisi geometresinin yeteri hassasiyette tanımlanamaması, benzeri uyumsuzlukların Akdeniz de de olması, bu uyumsuzlukların yine Atlas ın model ağının daha kaba oluşturulmasından kaynaklanmaktadır. Modelden elde edilen dalga parametreleri için uzun dönem dalga istatistiği çalışmaları yapılmıştır. Belirgin dalga yüksekliği ve ortalama dalga periyodu arasındaki ilişki Türkiye denizleri için elde edilmiştir. İlişkinin elde edilmesinde Kamphuis (2010) tarafından tanımlanan yöntem kullanılmıştır. İlişkiler Karadeniz (58 istasyon verisi), Marmara denizi (68 istasyon verisi), Ege denizi (43 istasyon verisi) ve Akdeniz (40 istasyon verisi) için ayrı ayrı sırasıyla Şekil 11, 12, 13 ve 14 de gösterilmiştir. İlişkilerden elde edilen bağıntılar Tablo 2 de özetlenmiştir. Dalga periyodu ve dalga yüksekliği arasındaki ilişkiden Kardeniz ve Akdenizde soluğanların etkisi açıkça gözlemlenmiştir.

8 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 11 Karadeniz dalga dikliği Şekil 12 Marmara denizi dalga dikliği

9 7. Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Şekil 13 Ege denizi dalga dikliği Şekil 14 Akdeniz dalga dikliği

10 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Tablo 2 Türkiye Denizleri Dalga Diklikleri Bölge İlişki R 2 Karadeniz T m =4.513H s Marmara T m =3.521H s Ege T m =3.623H 0.35 s Akdeniz T m =4.473H s Sonuçlar Türkiye denizleri dalga iklimi için kurulan sayısal modelin kalibrasyonu için Karadeniz de 5 istasyon da, Marmara denizi nde 1 istasyon da, Ege ve Akdeniz de 3 İstasyon da yapılan dalga ölçümleri dikkate alınmıştır. Bu ölçümler, kurulan 3. nesil dalga modelinin (Mike 21 SW), kalibrasyon ile doğrulama aşamasında kullanılmıştır. Kalibrasyon çalışmaları sonucunda, sayısal model sonuçları üzerinde en etkin parametrenin köpüklenme parametresi olduğu belirlenmiştir. Bu çalışmada yeteri doğruluk ta sonuçlar veren bir sayısal ağ ve yeteri sıklıkta veri ağı kullanıldığından Dalga Atlası (Özhan ve Abdallah, 1999) ile karşılaştırıldığında daha doğru sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Türkiye denizlerini karakterize eden dalga diklikleri Kradeniz ve Akdeniz için T m =4.5H 0.33 s Marmara ve Ege denizleri için ise T m =3.5H 0.33 s olduğu belirlenmiştir. Kaynaklar Alpli, R., 2011, Ege Denizi-Akdeniz dalga Atlası ve Küresel iklim Değişiminin Dalga İklimine Etkisi, YTÜ, FBE YL Tezi. Bekar, B., 2012, Türkiye Denizleri Dalga Diklik Analizi, YTÜ, FBE YL Tezi. Kamphuis, J. W. (2010). Introduction to Coastal Engineering and Management, 2 nd Edition, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.,ISBN , Singapore. Özhan, E. Ve Abdallah, S., 1999, Türkiye kıyıları için Rüzgar ve Derin Deniz Dalga Atlası, ODTÜ. Saraçoğlu, K.E., 2011, Karadeniz ile Marmara Denizi Dalga Modellemesi ve Analizi, YTÜ, FBE YL Tezi.