METEOROLOJİK KARAKTERLİ DOĞAL AFETLERİN TAHMİNİNDE METEOROLOJİ RADARLARININ KULLANILMASI

Transkript

1 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 143 METEOROLOJİK KARAKTERLİ DOĞAL AFETLERİN TAHMİNİNDE METEOROLOJİ RADARLARININ KULLANILMASI Serkan Eminoğlu 1, Fırat Beştepe 1, Cüneyt Geçer 1 ve Kurtuluş Öztürk 1 SUMMARY In order to mitigate and reduce impacts of natural disasters resulting from meteorological events, informing public and local authorities in timely and effectively manner and provision of conscious reactions are essential by setting up an effective meteorological observation network and early warning systems. Since the field observations represent a single point, they are inadequate in representing the parameter fields such as precipitation. For this reason, the point wise ground observations help very little in forecasting of the meteorologically characterized natural disasters. On the other hand, meteorological radars with very high spatial and temporal resolution have all the capability to fulfill this gap. In this study, the meteorological radars and their products are introduced to present their capabilities in early detection and tracking of the natural disasters. In addition, the various meteorologically characterized natural disasters are investigated by using radar and the corresponding products. Also, the potential capabilities of the radar products for detecting natural disasters are also introduced for the other researches for possible future study. ÖZET Meteorolojik olaylar sonucu ortaya çıkan doğal afetlerin önlenmesi veya zararlarının azaltılabilmesi için en önemli unsurlardan birisi, etkin bir meteorolojik gözlem ağına sahip olunması ve erken uyarı sistemi kurulmasıdır. Yersel gözlemler noktasal bazda yapıldığından, yağış gibi uzaysal değişkenliğin yüksek olduğu parameterelerin temsil edilmesinde yetersiz kalmaktadır. Dolayısıyla, yer gözlemlerinin afetlerin erken öngörulmesindeki katkısı sınırlıdır. Yüksek zamansal ve uzaysal çözünürlüğe sahip olmaları nedeni ile meteorolojik radarlar, bu eksikliği kapatacak özelliğe sahiptirler. Bu çalışmada, meteoroloji radarlarının ve ürünlerinin doğal afetlerin belirlenmesinde ve takibinde kullanılması araştırılmıştır. Farklı zamanlarda gözlenen meteorolojik karakterli afetlerin radar yardımı ile tespiti incelenmiş, radar ürünlerinin afetlerin tespitindeki potansiyel kullanımları üzerinde durulmuştur. 1 Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ),Uzaktan Algılama Şubesi, Ankara

2 144 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 1. GİRİŞ İnsanoğlu varoluşundan bu yana doğal afetlerle iç içe yaşamaktadır. Sebebiyet verdikleri can ve mal kayıplarından dolayı, afetlerin öngörülmesi varoluşundan bu yana insanoğlunun üzerinde çalıştığı bir konudur. Bu amaç doğrultusunda, çalışmalarını hem yeterli bilgi edinebilmek için farklı gözlem şebekelerinin kurulması hem de elde ettiği bilgilerden afetlerin fiziksel yapısını anlamak için sürdürmüştür. Sel/taşkın, fırtına ve dolu gibi meteorolojik karakterli afetler, en çok can ve mal kaybının gözlendiği [1,2] afetler olarak karşımıza çıkmaktadır. Özellikle sağanak yağışların sebebiyet verdiği seller ve taşkınlar, bugün dahi en çok çekinilen afetler arasındadır. Bu tür afetlerin önceden öngörülerek gerekli uyarıların yapılması için yoğun çaba harcanmaktadır. Ancak, ortada bulunan en önemli problem, alansal yağışın temsililiğinin zorluğudur. Bunun nedeni ise, noktasal ölçüm yapan yağışölçerlerin gerekli sıklıkta bulunmayışı ve yağış parametresinin uzaysal değişkenliğinin yüksek olmasıdır [3]. Bununla birlikte hesaplamalarda kullanılan homojenlik ve/veya izotropik yaklaşımların yanısıra, topoğrafik etkilerin hesaplamalarda dikkate alınma zorluğu da [4] problemi zorlaştıran diğer etkenlerdir. Yağış ölçümlerindeki temsililiğin arttırılması [5] radarların meteorolojik amaçlık kullanmaya başlanması ile gerçekleşmiştir. Her ne kadar Z-R düzeltmesi [6] ve yağış ölçer ayarlamalarının [7] yapılması gerekse de, özellikle sel ve taşkın tahminlerinde radarlar etkin sonuçlar vermektedir. Alansal yağışın daha yüksek tutarlılıkla hesaplanmasına olanak sağlaması ise, sel ve taşkın tahminleri için son derece önemlidir. Ek olarak, anlık veri sağlaması ve uzaysal çözünürlüğün yüz metreler mertebesine indirgemesi radarı diğer ölçüm araçlarına göre ön plana çıkartmakla birlikte, birçok yağış kaynaklı afetin daha erken öngörülmesine de olanak sağlamaktadır. Nedeni ise, radarların afet kuvvetli meteorolojik hadiselerin başlangıç safhasının, hareket değişikliklerinin, gelişme ve dağılmalarının önceden tespit ve tahmin edilebilmesine imkan sağlamalarıdır. Bu çalışmada, radardan elde edilen ürünler ayrıntılı olarak tanıtılmakla beraber, ürünlerin değerlerine göre temsil ettikleri farklı sınıflar açıklanmıştır. Ek olarak, gözlenen bazı afetlere ait radar ürünleri irdelenerek, ürünlerin afet öngörüsünde nasıl kullanılabileceği konusunda bilgi verilmiştir. 2. METEOROLOJİ RADARI KULLANIMI VE ÜRÜNLERİ 2.1. Radar Gözlem Ağı Ülkemizde operasyonel olarak kullanılan toplam 4 radar vardır. Bunlar, Balıkesir, Ankara, İstanbul ve Zonguldak radarlarıdır (Şekil-1). Her bir radarın kapsama alanı tarama modunda 370 km, dopler modunda 120 km yarıçapa kadar çıkabilmektedir. Bu meteoroloji radarlarının, bir tam tarayış periyodu 8 dakikadır ve 125 metre uzaysal çözünürlüğe sahiptirler. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ) yakın gelecekte radar sayısını arttırmayı planlamaktadır. Planlananlarla birlikte yeni radar kapsama alanının Şekil-2 deki gibi olması öngörülmektedir.

3 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 145 Şekil-1: DMİ Mevcut Radar Ağı Şekil-2: DMİ Planlanan Radar Ağı 2.2. Meteoroloji Radarı kullanımı Meteorolojik radarlar, kısa vadeli hava tahmini (nowcasting) ve erken uyarı amaçlı olmak üzere iki farklı şekilde kullanılırlar. Kısa vadeli hava tahmini 0-2 saatlik zaman zarfını kapsayan hava tahminidir. Erken uyarı ise, doğal felaketlere sebep olabilecek hava olaylarının yerinin ve şiddetinin belirlenmesi, izlenmesi ve kamunun uyarılması şeklinde gerçekleştirilmektedir. Gerçek zamanlı elde edilen veriler kısa süreli hava tahmin merkezinde değerlendirilerek uyarı ve ihbarlar hazırlanır. Bu uyarılar haberleşme araçları vasıtasıyla gerekli birimlere iletilir. Radar ile aşağıdaki meteorolojik hadiselerin tespit ve tahmini mümkündür. 1. Kuvvetli orajlar 2. Dolu 3. Soğuk cephe fırtına hatları 4. Mikropatlama (microburst) ve makropatlama (macroburst) 5. Rüzgar burulması (wind shear) 6. Kuvvetli yer rüzgarları 7. Türbülans 8. Fırtınalar, hortum ve tornadolar 9. Sel ve taşkınlar Hortum, mikropatlama ve makropatlamalar gibi yere yakın bölgelerde gerçekleşen hadiselerin tespit edilmesinde radarın bulunduğu konum çok önemlidir. Topoğrafik yapı nedeniyle oluşabilecek yer ekolarından kaçınma ve kapsama alanının geniş tutulabilmesi amacıyla radar yüksek bölgelerde konuşlandırılmış ise bu hadiselerin tespiti oldukça zor olabilir. Radarlardan elde edilen temel parametreler ve meteorolojik anlamları aşağıda sıralanmıştır. Temel parametreler hadisenin tanımlanmasında kullanılır. V = Hız (m/sn): Dopler radarlar kullanılarak hava kütlelerinin hareket hızı ve yönü ölçülür. W = Spektral Genişlik (m/sn): Spektral genişlik rüzgar burulması ve türbülans göstergesidir. Tablo-1 de spektral genişlik ve türbülans ilişkisi verilmiştir. Tablo- 1: Spektral Genişlik ve türbülans ilişkisi Ortalama Spektral Genişlik Değerleri (m/sn) Orta Şiddette Türbülans Şiddetli Aşırı Türbülans Türbülans 4 7 8

4 146 TMMOB AFET SEMPOZYUMU Z = Logaritmik Reflektivite (dbz): Hedeften yansıyan sinyalin gücüdür. Tablo- 2 de, radar yazılımları tarafından işlenen reflektivite değerlerine karşılık gelen yağış tipleri ve diğer istenmeyen eko (echo) kaynakları gösterilmiştir. Tablo-2: Çeşitli eko kaynaklarına karşılık gelen radar reflektivite faktörü değerleri. Hadisenin Cinsi Su içeren fakat yağış vermeyen Sis Bulutlar Buz parçacıkları içeren Bulutlar Çisenti Hafif Yağmur Şiddetli Yağmur Hafif Sağanak Şiddetli Sağanak Eko Değeri < 0 dbz 20 dbz ye kadar 0-20 dbz dbz dbz >40-65 dbz ye kadar Dolu Donma seviyesi üzerinde dbz 45 Eğer dbz 55 ise tüm yüksekliklerde mümkün Kar 35 dbz ye kadar Duman Toz Böcek 10 dbz ye kadar (Yerden 2km yüksekliğe kadar) Clutter (Yeryüzünden, binalardan, ağaçlardan, su yüzeylerinden v.b. olan istenmeyen ekolar) Kuşlar Filtrasyon yapılmadığında 80 dbz ye kadar 20 dbz ye kadar R = Yağış Oranı (mm/saat): Radarlar yağışı doğrudan ölçmezler. Yağış değeri için, radar reflektivite faktörüne bağlı olarak radar yazılımları tarafından ampirik (empiric) bir bağıntı kullanılır. Bu ilişki Z-R eşitliğidir. Z = A R b A ve b deneysel sabitlerdir. Araştırmalar sonucunda en yaygın kullanılan şekli, Marshall ve Palmer tarafından (Marshall ve Palmer, 1948) Z = 200 R 1.6 şeklinde belirlenmiştir. Aşağıda bazı yağış tiplerine göre literatürde tavsiye edilen Z-R ilişkileri verilmiştir. Stratiform tipi yağış Z = 200 R 1.6 Orografik yağış Z = 31 R 1.71 Fırtına Z = 286 R 1.37 Kar Z = 2000 R 2 Radar reflektivite değeriyle yağış şiddeti ilişkisi Tablo-3 de gösterilmiştir: Tablo-3: Radar reflektivite faktörü ve yağış şiddeti arasındaki ilişki. dbz < > 57 Yağış Şiddeti Hafif Orta Kuvvetli Çok kuvvetli Şiddetli Aşırı

5 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 147 D = Diferansiyel Reflektivite Z DR (db): Hedeften yansıyan yatay ve dikey reflektivitelerin oranıdır. Z DR =10 log10(z h / z v ) Yatay ve dikey reflektivite değerleri birbirine ne kadar yakınsa, yani parçacık ne kadar küreye yakın bir şekilde ise Z DR değeri o kadar 0 a yakın bir değer olacaktır. Z DR yağmur ve dolu taneciklerinin ayrılmasında ve yağmur damla çapının belirlenmesinde kullanılır (Tablo-4). Tablo-4: Hedef Z DR ilişkisi Hedef Çisenti Yağmur Kar, Graupel Dolu Z DR (db) (-1) - (+1) ~ Radar Ürünleri Doğal afetlerin meteoroloji radarlarıyla belirlenmesi radar ürünlerinin analiziyle mümkündür. Aşağıda bazı ürünler ve kullanım alanları verilmiştir. Plan mevki göstericisi (PPI-Plan Position Indicator): Uzun menzilli hava gözetlemesinde kullanılır. PPI görüntüsünün Google Earth programı üzerine konulmasıyla, yüksek çözünürlükte radar datasının coğrafi bilgi sistemiyle birleşimi sağlanmıştır (Şekil 3-4). Şekil 3: PPI Z görüntüsü Şekil 4: PPI Z Google Earth gösterimi Sabit Yükseklik Plan mevki göstericisi (CAPPI-Constant Altitude Plan Position Indicator): Kuvvetli hadiselerin yerinin ve özelliklerinin analizinde en önemli üründür. Şekil 5 te Ankara radarında tespit edilen kuvvetli orajın CAPPI görüntüsü verilmiştir.

6 148 TMMOB AFET SEMPOZYUMU Şekil 5: tarihinde Ankara nın güneybatısında gelişen 58.8 dbz değerinde ekoya sahip kuvvetli orajın görünümü Pratik kullanımda CAPPI ürünü Şekil 6 da gösterildiği gibi dikey kesit profili alınarak incelenir. Bu gösterim şekli mesafe-yükseklik göstergesi (RHI-Range Height Indicator) olarak adlandırılır. Şekil 6: Kuvvetli orajın dikey kesiti Kuvvetli oraj 35 km 2 gibi küçük bir alanda gelişmiş, dikey olarak 12 km tepe yapmıştır. Şekil 7 de olaydan üç gün sonra çekilen fotoğraflarda meydana gelen dolu hadisesinin etkisi görülmektedir

7 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 149 Şekil 7: Kuvvetli orajdan meydana gelen dolu görüntüleri MAKS (Maksimum Görüntüsü): Eko yüksekliği ve yoğunluğunu tek pencerede görülür. Özellikle şiddetli hava sahalarının görülmesinde faydalıdır (Şekil 8). Şekil 8: MAKS Reflektivite görüntüsü Yüzey Yağış Yoğunluğu (SRI-Surface Rainfall Intensity): Muhtemel yağış miktarını veren üründür (Şekil 9). Şekil 9: Yağış miktarının gösterimi.

8 150 TMMOB AFET SEMPOZYUMU Sel ve taşkın gibi yağıştan kaynaklanan doğal afetlerde yere düşen yağış miktarı bilgisi çok büyük önem taşır. Yağış ölçer ölçümlerinde sahanın yeri, rüzgar, kar yağışı, damla ebadı gibi faktörler ölçüm sonuçlarını etkilemektedir. Afet yönetiminde cm 2 lik bir yüzeyden elde edilen ölçüm sonuçları 100 km 2 lik bir alandaki yağışın değerlendirmesinde kullanılmaktadır. Şiddetli yağış ve sel durumlarında yağışın bölgesel farklılıkları göz önüne alındığında, ölçümün çok noktadan yapılması gerekir. Radarlar geniş alanlar için anlık yağış yoğunluğu dağılımının görüntülenmesini sağlayarak, bu eksikliği giderebilirler. Dikey Tümleşik Sıvı (VIL-Vertically Integrated Liquid): VIL ürünü kuvvetli fırtına, dolu ve bir kaç dakika sonra düşecek yağış miktarının tahmininde kullanılır. Şekil 10 da, İstanbul un batısında 31 Temmuz 2003 tarihinde meydana gelen bir oraj, İstanbul-Çatalca radarı tarafından tespit edilmiştir. Fırtına hücresinin tam merkezinde dbz arasında reflektivite değerleri dikkat çekmektedir. Şekil 10: Silivri de büyük hasara sebep olan dolu hadisesinin VIL görüntüsü. Şekil-11 de bu yüksek ekonun meydana getirdiği dolu önceden tanımlanan ihbar kriterlerince belirlendiğinden bölge için dolu ihbarı otomatik olarak üretilmiştir. Şekil 11: Otomatik üretilmiş dolu tahmini ürünü

9 TMMOB AFET SEMPOZYUMU METEOROLOJİK HADİSE ANALİZİ VE İHBAR Radar yazılımları, parametreleri önceden ayarlanan erken uyarı ürünleri üretebilirler. Böylece son kullanıcılar, otomatik olarak temel parametreleri sorgulamadan istedikleri ürünleri elde edebilirler. Bu ürünler ve ihbar kriterleri Tablo 5 de verilmiştir. Tablo 5:Otomatik elde edilen ürünler ve ihbar kriterleri Ürün İhbar Kriterleri Yağış Gözetlemesi 10 km² lik bir alanda, km tabakasına ait VIL>1mm Sel Uyarısı 25km² lik bir alan için, 1 Saatlik Yağış veya N Saatlik >5mm Dolu Uyarısı 10 km² lik bir alanda VIL>5mm ve 45 dbz Tepe (TOPS)>1.5 km Kuvvetli Fırtına Tespiti 10 km² lik bir alan için, km tabakasına ait VIL>10mm ve 10 dbz Tepe(TOPS)>8 km Türbülanslı Fırtına Tespiti 10km² nin üzerindeki bir alan için, Spektral Genişlik>6m/s ve Reflektivite>20dBZ Rüzgar Değişiminin Tespiti 0.5 ve 0.7 açılarında, 3km² den fazla bir alan için Rüzgar Burulması>10m/s/km Microburst Tespiti Rüzgar Burulması ürünü kullanılır. Eşik değer 4-5m/s/km seçilir. DMİ, ihbar kriterleri doğrultusunda pek çok ürünü analiz ederek gerektiği takdirde kamuya Uyarı ve Takip Raporu yayınlamaktadır. İstanbul un Anadolu yakasında 9 Ekim 2006 tarihinde meydana gelen sel DMİ İstanbul radarı ile incelenmiştir. İstanbul Beykoz'da aşırı yağış sebebiyle taşan dere, içinden geçtiği 3 köyde sel baskınına yol açmıştır(şekil 12). Şekil 12: Beykoz daki selin görüntüleri. Hadise DMİ kısa süreli tahmin biriminde yaklaşık bir saat kadar önce tahmin edilmiş, ve uyarı yapılmıştır (Şekil 13).

10 152 TMMOB AFET SEMPOZYUMU Şekil 13: Meteorolojik uyarı metni Kuvvetli oraj hücresinin tam merkezinde dbz arasında reflektivite değerleri dikkat çekmektedir. Şekil-14 de bu yüksek ekonun meydana getirdiği etkili yağış önceden tanımlanan ihbar kriterlerince belirlendiğinden bu bölge için etkili yağış ihbarı radardan otomatik olarak tespit edilmiştir. Şekil 14: MAX Ürünü ve büyütülmüş gösterimi ve ihbar ürünü Yağış ölçerlerden elde edilen veriye göre bölgede bir saatte 35 mm yağış tespit edilmiştir. Şekil 15 de radardan elde edilen saatlik toplam yağışın mm arasında olduğu görülmektedir.

11 TMMOB AFET SEMPOZYUMU 153 Şekil 15: 20:00-ile 21:00 arası 1 Saatlik toplam yağış miktarı Her ne kadar bu örnekte radarlardan elde edilen yağış miktarı yağış ölçere yakın çıkmışsa da, genellikle radarlar gerçekleşen yağışlara göre daha düşük bir yağış miktarı ölçerler. Bunun sebebi radar sinyalinin yer yansımaları, atmosferik zayıflama, ışın engellemesi, anormal yayılım, hatalı dikey reflektivite profili vs. gibi dış kaynaklı faktörlerin yanı sıra radarların elektronik kalibrasyonu gibi parametrelerden de olumsuz olarak etkilenmesidir. DMİ, radarların hatalı yağış ölçümlerini mümkün olduğu oranda azaltmak amacıyla yağış ölçer ayarlaması çalışmaları yapmaktadır. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada meteoroloji radarlarının meteorolojik kaynaklı doğal afetlerin tespitinde ve takibindeki önemi üzerinde durulmuştur. Gerek radardan elde edilen ürünler gerekse önceden tanımlanmış algoritmaları kullanarak kuvvetli meteorolojik hadiselerin meteoroloji radarı kullanarak tespiti anlatılmıştır. Radarları kullanarak atmosferin yüksek çözünürlükte ve sık aralıklarla ölçülebilmesi, başta kısa süreli hava tahmini olmak üzere birçok meteorolojik çalışma için çok büyük katkılar sağlar. Veri kalitesini olumsuz etkileyen faktörlere rağmen radarlar, gerçek zamanlı, yüksek alansal ve zamansal çözünürlüğe sahip yağış bilgisinin elde edilmesinde en önemli meteorolojik cihazlardır. Radarlar, yağış bilgisinin elde edilmesinde kullanılan reflektivite ölçümünün yanısıra atmosferin hareketine ilişkin hız ölçümü de yapabilmektedir. Türkiye de meteorolojik hizmetlerin kalitesini ve güvenilirliğini artırmak, kuvvetli meteorolojik hadiseler sonucu mal ve can kaybını en aza indirmek amacı ile kısa süreli meteorolojik uyarıların zamanında hazırlanması ve yayınlanması radar sistemleri ile mümkündür.

12 154 TMMOB AFET SEMPOZYUMU KAYNAKLAR 1. Rosenfeld, J. (1997), The day of Judgement. Weatherwise, June/July, Vol. 50, Issue:3, ss Stipp D. (1997) A New Way to Bet on Disasters. Fortune, Vol. 136, Issue:5, ss Jackson, I. J. (1972), Mean daily rainfall intensity and number of rain days over Tanzania, Geogr. Ann. A.54 : Summer, G. (1988), Precipitation Process and Analysis. John Wiley and Sons, New York : ss Rinehart, R.E. (1991), RADAR for Meteorologists. Ronald E. Rinehart, Grand Forks, North Dakota. ss Marshall, J. S., Palmer W. McK. (1948), The distribution of raindrops with size. J. Meteor., 5, Öztürk, K ve Yılmazer A.U. (2006), Türkiye de Meteorolojik Radar Yağış Ölçümleri ve MM5 Sayısal Model Tahminlerinin Farklı İstatistiksel Ayar Teknikleri Kullanılarak İyileştirilmesi, Ankara Üniversitesi, Doktora Tezi, ss. 23, Ankara.