TÜRKĠYE ALANSAL YAĞIġ HESAPLAMASI

Transkript

1 T.C. ORMAN VE SU İŞLERİ BAKANLIĞI METEOROLOJİ GENEL MÜDÜRLÜĞÜ TÜRKĠYE ALANSAL YAĞIġ HESAPLAMASI Ali Ġhsan AKBAġ AraĢtırma Dairesi BaĢkanlığı Hidrometeoroloji ġube Müdürlüğü 1

2 ĠÇERĠK GĠRĠġ ÇALIġMANIN GAYESĠ UYGULANAN YÖNTEMLER YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME 2

3 GĠRĠġ Ülkemizin su potansiyelinin belirlenmesi çalıģmalarında esas teģkil eden yağıģ miktarının hesaplanması için Hidroloji Ġhtisas Heyeti içerisinde, konusunda deneyimli kiģilerden oluģan Alansal YağıĢ Alt ÇalıĢma Grubu kurulmuģtur. Bu çalıģma DSĠ ve MGM uzmanlarından oluģan grup tarafından gerçekleģtirilmiģtir. ADI SOYADI ÜNVANI KURUM ADI Dr. Bülent SELEK DAİRE BAŞKANI DSİ Yusuf ULUPINAR ŞUBE MÜDÜRÜ MGM Kemal SEYREK ŞUBE MÜDÜRÜ DSİ Dr. Hakan AKSU ŞUBE MÜDÜRÜ DSİ A.Hamdi SARGIN MÜHENDİS DSİ Mustafa ARSLAN MÜHENDİS DSİ A.İhsan AKBAŞ MÜHENDİS MGM Özkan ÖZ MÜHENDİS MGM Sefer KERVANKIRAN MÜHENDİS MGM Alaattin UĞURLU MÜHENDİS MGM Hüseyin ŞAHİN MATEMATİKÇİ MGM 3

4 ÇALIġMANIN GAYESĠ Ġklim elemanları içerisinde zaman ve mekân bakımından en fazla değiģkenlik gösteren parametre yağıģtır. YağıĢ yüksekliği bir yerden diğerine farklılık göstermektedir. 4

5 ÇALIġMANIN GAYESĠ YağıĢ ölçümleri meteoroloji istasyonlarında noktasal olarak yapılmaktadır. En basit yolla bir bölgenin yağıģ ortalaması hesaplanırken, o bölgeye giren istasyonların yağıģlarının aritmetik ortalaması alınır. Eğer bölgenin bir kısmını kapsayan yükseklik farkı yağıģlarına sebep olabilecek engebeler veya sıcaklık farkı yağıģlarına meydan verecek sıcaklık farkı (konvektif) söz konusu ise aritmetik ortalama yöntemi kullanılmamalıdır (ġen,2003). 5

6 ÇALIġMANIN GAYESĠ Ġstasyon sayısının bölgeyi tam olarak temsil edecek sayıda olmaması ve normallerin hesaplanabilmesi için yeterli zaman aralığında verilerin bulunmaması yağıģ ortalamalarının alansal yağıģ hesaplama yöntemleri kullanılarak hesaplanması ihtiyacını oluģturmuģtur. Mühendislik hidrolojisi çalıģmalarının pek çoğunda yağıģın sadece zamansal değil, onun kadar önemli olabilecek alansal miktarlarının da hesaplanması gereklidir (ġen,2003). Bu çalıģmanın gayesi uzun sürelerde yağıģ verisi bulunan meteoroloji istasyonlarını kullanarak, farklı alansal yağıģ hesaplama yöntemleri uygulamaları yaparak, Ülkemizin yağıģ dağılımını en iyi temsil edecek yöntemi bulmak ve uygulamaya koymaktır. 6

7 YÖNTEMLER Alansal YağıĢ Hesaplama Yöntemleri, Thiessen Çokgen, Ağırlıklı Çokgen (ġen), Yüzde Çokgen (ġen), Ters Mesafe Ağırlıklı (IDW), EĢyağıĢ eğrileri (Isohyetal) Kriging, metotları olmak üzere 6 metotla yıllarına ait yağıģ normalleri Türkiye, Bölgeler ve Havzalar bazında hesaplanmıģtır. 7

8 YÖNTEMLER Alansal yağış hesaplamalarında uzun sürelerde yağış verisi bulunan 255 adet meteoroloji istasyonunun yıllık toplam yağış verileri kullanılmıştır. 8

9 Aritmetik Ortalama AWOS 3 AWOS 2 Her bir istasyondaki yağıģlar toplamının istasyon sayısına bölümüne eģittir. Ortalama YağıĢ: Yi /n AWOS 1 9

10 Thiessen Çokgen Birbirine komģu istasyonlar üçgenleme yöntemi ile birleģtirilerek üçgen kenarlarının orta noktaları bulunur. Bulunan orta noktalardan kenar orta dikmeleri çizilir. Kenar orta dikmelerin kesiģtiği noktalar ile istasyon etrafında çokgenler oluģturulur. Her bir istasyonun alanı toplam alana bölünerek o istasyonun etki ağırlığı (temsil oranı) hesaplanır ve hesaplanan bu değer istasyonun yağıģ değeri ile çarpılarak alansal yağıģ değeri bulunur. 10

11 Thiessen Çokgen 11

12 Thiessen Çokgen periyodunda seçilmiş 255 istasyon için Coğrafi Bilgi Sistemleri ortamında Thiessen Çokgenleri oluşturulmuş ve alansal yağış hesaplaması yapılmıştır. Thiessen Çokgenleri ile hesaplama iki türlü yapılmıştır. İlk olarak 25 adet havza için ayrı ayrı oluşturulması ile yapılan hesaplamada ortalama yağış miktarı mm bulunmuştur. Bu hesaplamada Seyhan Havzası ortalama yağış miktarının hesaplamasında havzada yer alan 5 istasyon kullanılmıştır. İkinci olarak ise bütün ülke tek bir havza kabul edilerek çokgenler oluşturulmuş ve bu çokgenler dikkate alınarak havzalar için hesaplama yapılmıştır. 12

13 Thiessen Çokgen Thiessen Çokgen Yöntemine göre Türkiye alansal yağış ortalaması mm, aritmetik ortalamaya göre ise mm dir. Karadeniz, Akdeniz, Ege ve Marmara Bölgeleri nde yağış ortalamalarında önemli sapmalar görülürken diğer bölgelerde ki farklılıklar önemli ölçüde değildir. 13

14 Ağırlıklı Çokgen (ġen) Yöntemi Bu yöntemde her bir istasyon için ağırlık katsayısı belirlenir. Ağırlık katsayısı için Thiessen çokgen yöntemi ile elde edilen çokgenlerin merkez istasyon ile merkez istasyona komşu çevre istasyonların yağışları esas alınır. Aşağıdaki formüle göre ağırlık katsayısı hesaplanır. Pi= Pm/(Pm+Pç) i=1,2,3,,n x =(P1+ P2+ P3+. +Pn)/n K=1- x Bu formülde: Pm=Merkez İstasyonun Yağış Miktarı Pç= Çevre İstasyonun Yağış Miktarı 14

15 Ağırlıklı Çokgen (ġen) Yöntemi Merkez Çevre Merkez Yağışı Çevre Yağışı P m /(P m +P ç ) AKSARAY CİHANBEYLİ AKSARAY EREĞLİ AKSARAY KAMAN AKSARAY KARAPINAR AKSARAY KIRŞEHİR AKSARAY KULU AKSARAY NEVŞEHİR AKSARAY NİĞDE Pi= Pm/(Pm+Pç) ) i=1,2,3,,n x =(P1+ P2+ P3+. +Pn)/n K=1-x K=1-0, K= 0,

16 Ağırlıklı Çokgen (ġen) Yöntemi Ağırlıklı Çokgen yöntemine göre istasyon etrafında oluģan çokgen alanları dinamik olmakta, istasyon yağıģı ile, istasyona komģu istasyonların yağıģlarının miktarına göre ters orantılı olarak büyüyüp-küçülmektedir. Ağırlıklı Çokgen yöntemine göre Türkiye Alansal YağıĢ Ortalaması 548,6 mm dir 16

17 Ağırlıklı Çokgen (ġen) Yöntemi 17

18 Mesafenin Tersi Ağırlıklı (IDW) Yöntemi AWOS 3 D1 X D3 D2 AWOS 1 AWOS 2 Mesafenin tersi ile ağırlıklandırma, yakın noktalara uzak noktalardan daha yüksek ağırlık değeri atayan ve mümkün olan tüm örnek noktalarını dikkate alan bir tahminleme yöntemidir. Bu teknik enterpole edilecek noktadan uzaklaģtıkça ağırlığı da azaltan ve örneklem noktalarının ağırlıklı ortalamasına göre bir yüzey enterpolasyonu yapmaktadır. 18

19 Mesafenin Tersi Ağırlıklı (IDW) Yöntemi Bu teknikte aşağıdaki denklem kullanılmaktadır; Denklemde; Pj= Yağış değeri hesaplanacak nokta, Pi = Yağış değeri bilinen nokta, d = İstasyonlar arası mesafe ve n = kuvvet 19

20 Mesafenin Tersi Ağırlıklı (IDW) Yöntemi IDW (Inverse Distance Weighted) yöntemine göre Türkiye nin Alansal YağıĢ Ortalaması 579,2 mm dir 20

21 Mesafenin Tersi Ağırlıklı (IDW) Yöntemi 21

22 Mesafenin Tersi Ağırlıklı (IDW) Yöntemi 22

23 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi ġen(1997) tarafından geliģtirilmiģtir. Bu metot ile alansal yağıģ hesabında aģağıdaki adımlar izlenmiģtir: YağıĢ istasyonlarının seçimi Üçgen ağı oluģturma Matlab ile yağıģ ağırlıklı üçgen anahtar noktalarının bulunması (ġen Noktası) ġen noktalarından çokgenler oluģturma Türkiye sınırına göre çokgenlerin kesimi ve alan hesabı Bölge ve havzalara göre alansal yağıģ hesabı 23

24 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi Yukarıdaki Ģekilde A,B,C istasyonları ile oluģturulan üçgenin Anahtar Noktası(ġen Noktası) bulunması için önce sahip oldukları yağıģ değerine göre yüzde ağırlıkları hesaplanır. A noktasının ağırlığı=a nın değeri/(a+b+c Toplam değeri) 24

25 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi A köģesine ait kenarortay üzerinde BC kenarından A'ya doğru A noktasının yüzde yağıģ ağırlığı oranında ilerlenir ve BC'ye paralel bir doğru çizilir. Birinci adımda A istasyonu için yapılan iģlem B veya C içinde yapılır ve çizilen doğruların denklemleri çözülürse bulunan nokta YağıĢ Ağırlıklı Anahtar Noktası(ġen Noktası)'dır. Yüzde Çokgen Yöntemi (ġen Metodu) için 255 istasyona ait koordinat verileri kullanılarak ArcGIS yazılımı modüllerinden TIN modülü ile üçgenler oluģturuldu. 25

26 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi Ġstasyonlar arasında oluģturulan üçgenlerin Anahtar noktaları ve enlem boylam değerleri, Matlab programı kullanılarak hesaplandı. Hesaplanan Anahtar noktaları ArcGIS ortamında haritaya aktarıldı. Yukarıdaki haritada görüldüğü üzere bu metotta oluģan üçgenler Türkiye alanının tamamını kapsamamaktadır. 26

27 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi Burada sınırlarda yer alan istasyonlar etrafında da kapalı çokgenler oluģturabilmek için ġen Noktalarından ait olduğu üçgenin dıģına doğru kenara dik doğrular çizdirildi. Bu doğruların kesiģim noktaları ile yada dıģarıda tanımlanan bir çerçeve üzerindeki kesiģim noktaları bulundu. Böylece her istasyonun etrafında çokgenler oluģturuldu. 27

28 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi OluĢturulan çokgenler Türkiye sınırından kesildi. Böylelikle istasyonlara ait çokgen alanları oluģturulmuģ oldu. OluĢturulan çokgenlerin alanları temsil ettiği istasyonun yağıģı ile çarpılarak ve toplam alana bölünerek Türkiye nin alansal yağıģı Yüzde Çokgen Yöntemi (ġen Yöntemi) ne göre hesaplandı. 28

29 Yüzde Çokgen (ġen) Yöntemi Aritmetik ortalama, Thiessen, Ağırlıklı Çokgen (ġen) ve Yüzde Çokgen yöntemine göre yağıģ Ortalamaları Ģekilde görülmektedir. Yüzde Çokgen Yöntemi (ġen Yöntemi) ile alansal yağıģ hesaplamasına göre Türkiye nin ortalama yağıģ normali mm olarak belirlenmiģtir. 29

30 EĢ YağıĢ Eğrileri (Ġsohyetal) Yöntemi Gözlem istasyonlarının sahayı yeterli ölçüde temsil etmesi durumunda iyi sonuçlar verdiği bilinmektedir. YağıĢ istasyonlarının değerleri ile birlikte harita üzerine çizilmelerinin akabinde eģ yağıģ çizgilerinin çizilmesi Ģeklinde uygulanır. Ġstasyon ağırlık değerleri iki eģ yağıģ çizgisi arasında kalan alan ve yağıģ değeri olarak iki konturun ortalaması alınmaktadır. m Port = WiPi Ġ=1 Port: Alansal ortalama yağıģ Pi : Temsil eden konturu Wi: Temsil alanı 30

31 EĢ YağıĢ Eğrileri (Ġsohyetal) Yöntemi Bu yöntem uygulanırken Coğrafi Bilgi Sistemleri (CBS) ortamında belirlenen aralıklarla eģ yağıģ eğrileri çizdirildi. Eğrilerin arasında oluģan alt alanlar ile kapsayan yağıģ değerlerinin çarpımı sonucunda alansal yağıģ hesaplandı. EĢ yağıģ eğrileri yöntemi ile Türkiye yağıģ ortalaması mm bulunmuģtur. 31

32 Kriging Yöntemi AWOS 3 D1 X D3 D2 AWOS 1 AWOS 2 Kriging enterpolasyon yöntemi, bilinen yakın noktalardan alınan verileri kullanarak,diğer noktalardaki verilerin optimum değerlerini kestiren bir enterpolasyon yöntemidir. Sadece uzaklığa değil noktaların uzaysal düzenine de bağlıdır. Kriging gibi jeoistatistiksel yöntemler sadece tahmin yüzeyi üretme yeteneğine sahip değildirler. Bu yöntemler aynı zamanda modelden elde edilen tahminlerin güvenirliği veya doğruluğuna iliģkin bazı değerler verebilmektedirler. 32

33 Kriging Yöntemi Yukarıdaki tabloda ArcGIS Geostatistical Analyst altında Ordinary Kriging modülünün Circular, Exponential, Spherical ve Gaussian yöntemleri kullanılarak yapılan hesaplamalarda elde edilen Minimum, Maksimum, Ortalama yağıģ değerleri ve bu yöntemlerin Hata Karelerinin Ortalamasının Karekökü (RMSE-Root Mean Square Error) değerleri görülmektedir. Ayrıca bu yöntemlerin Cross Validation tablosundan R ve R² değerleride hesaplanmıģtır. 33

34 Kriging Yöntemi Yanda yılları arasında yıllık yağış ortalaması verileri ile ArcGIS Geostatistical Analyst altında Ordinary Kriging modülünün Circular, Exponential, Spherical ve Gaussian yöntemleri kullanılarak hazırlanan haritalar görülmektedir. Görüldüğü üzere Kriging altından değişik yöntemlerle hesaplanan ortalama yağış değerlerinde çok büyük farklılıklar görülmemektedir. En düşük 574 mm en yüksek ise mm ortalama yağış değeri hesaplanmıştır. Yukarıdaki tabloda görüldüğü üzere Alansal YağışHesaplanmasında Hata Karelerinin Ortalamasının Karekökü (RMSE) değeri ile ölçülen ve tahminlenen değerler arasındaki R² katsayıları incelendiğinde, RMSE değeri en küçük ve R değeri en büyük olan Exponential yöntemi diğer yöntemlere göre öncelikli olarak tercih edilmelidir. 34

35 Kriging Yöntemi Kriging yöntemine göre Türkiye nin Alansal YağıĢ Ortalaması 574,0 mm dir 35

36 Kriging Yöntemi 36

37 Kriging Yöntemi 37

38 YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI Doğu Karadeniz Havzası için normalleri ile oluģturulmuģ Thiessen, Ağırlıklı Çokgen ve Yüzde Çokgen (ġen) yöntemlerinin yağıģ hesaplamasında kullanılan çokgen alanları. 38

39 YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI yağıģ normalleri aritmetik ortalama ve alansal yağıģ dağılımları. 39

40 YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI 40

41 YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI yağıģ normalleri aritmetik ortalama ve alansal yağıģ dağılımları. 41

42 YÖNTEMLERĠN KARġILAġTIRILMASI 42

43 SONUÇ VE DEĞERLENDĠRME Bu çalıģmada 255 istasyona ait noktasal veriden Türkiye nin Alansal YağıĢ Ortalamasının elde edilebilmesi için 6 farklı yöntem kullanılmıģ ve elde edilen değerler yukarıda tablolar ile ortaya konmuģtur. Sonuç olarak Türkiye nin Alansal YağıĢ Ortalaması mm arasında, toplam yağıģ hacmi ise milyar m³ arasındadır. Kullanılan yöntemlerden Mesafenin Tersi Ağırlıklı ve Kriging, yağıģ verileri ile araģtırma ve analiz yapmak isteyenler için sağladığı uygulama kolaylığı açısından çok tercih edilen metotlardır. 43

44 SONUÇ VE DEĞERLENDĠRME Aritmetik ortalama yönteminin pratik bir yöntem olması nedeniyle tercih ediliyor olması, Türkiye Su Potansiyelinin hesaplamasında ana veri olan yağıģ ortalamasının %10 fazla görülmesine neden olmaktadır. Mesafenin Tersi Ağırlıklı, Thiessen, EĢyağıĢ eğrileri, Kriging yöntemlerinin aralarındaki farklar yüzde birler mertebesinde ve ihmal edilebilecek düzeydedir. Aynı biçimde diğer iki yöntem Ağırlıklı Çokgen (ġen) ve Yüzde Çokgen (ġen) yöntemleri de diğer dört yönteme göre yüzde beģ (%5) ve yüzde yedi (%7) mertebesinde yakın sonuçlar vermiģtir. Kriging yöntemiyle hesaplanan periyodunda, Türkiye nin Alansal Yağış Ortalaması 574 mm ve toplam yağış hacmi ise milyar m³ olarak belirlenmiştir. 44

45 GRID Yöntemi AWOS 3 AWOS 2 DeğiĢik yağıģ kaynaklarının (RADAR, Yer ölçümü, Uydu, Klimatoloji) birleģtirerek GRID bazlı yağıģ ürünü elde edilir. Havzadaki GRID yağıģ değerleri toplanır ve GRID sayısına bölünür. AWOS 1 ABD Nehir Tahmin Merkezilerinde (NOAA River Forecasting Center) kullanılan en son yöntemdir. 45

46 GRID Yöntemi Kalite Kontrolü Yapılmış Yer Ölçümleri Grid Yağış Değerleri Uydu Yağış Verileri Radar Yağış Verileri MPE Yazılımı Klimatolojik Yağış Verileri Yağış Miktarı (mm) 46

47 TEŞEKKÜR EDERİM 47