İSTANBUL BOĞAZI NIN KARADENİZ ÇIKIŞINDA SWAN DALGA TAHMİNLERİNİN RADAR ÖLÇÜMLERİ İLE KIYASLAMASI

Transkript

1 İSTANBUL BOĞAZI NIN KARADENİZ ÇIKIŞINDA SWAN DALGA TAHMİNLERİNİN RADAR ÖLÇÜMLERİ İLE KIYASLAMASI Adem Akpınar a, Recep Emre Çakmak a, Yüksel Yağan b, Raşt Çeleb b a Uludağ Ünverstes, İnşaat Mühendslğ Bölümü, Bursa. ademakpnar@uludag.edu.tr; r.emre.cakmak@gmal.com b Meteoroloj Genel Müdürlüğü, Tahmnler Dares Başkanlığı, Ankara. yyagan@mgm.gov.tr; rceleb@mgm.gov.tr Özet Bu çalışmada, İstanbul Boğazı nın Karadenz çıkışında Meteoroloj Genel Müdürlüğü tarafından kurulan HF (Hgh Frequency, Yüksek Frekanslı) denz radarı le gerçekleştrlen ölçümlern ve sayısal model le elde edlen sonuçların performansının değerlendrlmes yapılmıştır. Denz radarı le brktrlmş dalga verlerle Akpınar vd (016) ve Bngölbal vd (018) tarafından gelştrlen model sonuçlarının kıyaslaması hata statstkler (bas, RMSE, MAE, r vb.), zaman serler, saçılım dyagramları, Q Q grafkler kullanılarak rdelenmştr. Kıyaslama, Mart 016 Şubat 018 zaman peryodu boyunca brktrlmş verye dayanarak gerçekleştrlmştr. Radar ölçümlernn ve SWAN dalga tahmn sonuçlarının güvenlrlğ, yne Meteoroloj Genel Müdürlüğü tarafından yerleştrlen br şamandıradan alınmış aylık dalga yükseklğ ölçümü kullanılarak test edlmştr. İncelenen yıllar boyunca, radar ölçümlernn SWAN tahmnlernden daha yüksek olduğu belrlenmştr. aylık şamandıra ölçümlerle yapılan kıyaslamada, radar ölçümlernn bazı pkler yakaladığı, ancak peryodun çoğunda şamandıra verlernden daha yüksek değerlere sahp olduğu görülmüştür. Gürültü snyaller ayıklanmış radar ölçümlernn şamandıra ölçümlerle daha uyumlu olduğu tespt edlmştr. Ayrıca, SWAN model tahmnlernn, şamandıra verlerle normal dalga şartlarında uyumlu olduğu, ancak fırtınalı denz durumlarında dalga yükseklğnn daha düşük tahmn edldğ sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelmeler: Radar ölçümler, şamandıra ölçümler, SWAN tahmnler, hata statstğ, İstanbul açıkları THE COMPARISON OF SWAN WAVE HINDCAST BY THE RADAR MEASUREMENTS AT THE BLACK SEA EXIT OF THE BOSPHORUS Abstract In ths study, the performance of the measurements collected by HF (Hgh Frequency) sea radar, whch was establshed by the Turksh State Meteorologcal Servce at the Black Sea ext of the Bosphorus, and the results obtaned wth the SWAN numercal model were evaluated. Wave data accumulated by sea radar and SWAN model results developed by Akpınar et 694

2 al. (016) and Bngölbal et al. (018) were compared usng error statstcs, tme seres, scatter dagrams and Q - Q graphs. The benchmark was based on the data collected durng the perod of March February 018. The relablty of radar measurements and SWAN wave hndcast results were tested usng a -month wave heght measurement taken from a buoy placed by the Turksh State Meteorologcal Servce. Throughout the years studed, radar measurements were found to be hgher than the SWAN hndcasts. In comparson wth -month buoy measurements, the radar measurements predcted some peaks well, but had hgher values than the buoy data n most of the perod. The radar data that nose sgnals extracted have been found to be more aggreable wth buoy measurements. It was concluded that SWAN model hncasts were aggreable wth buoy data n calm wave condtons, but the wave heghts were lower n stormy sea condtons. Keywords: Radar measurement, buoy measurement, SWAN hndcast, error statstcs, offshore of İstanbul 1. Grş Denz üzernde sabt br noktada, şamandıra le uzun sürel ölçüm yapmak malyetl ve şletmes zor br rasat şdr. Bu nedenle, ölçümlern uydu ve radar gözlemler yardımıyla elde edlmes veya dalga koşullarının sayısal modeller yardımıyla üretlmes daha pratk ve malyet daha düşük yöntemlerdr. Bu yöntemlern doğrudan ölçümlern yerne kullanılablmesçn se yüksek doğruluğa sahp olması gerekmektedr. Doğruluğu kanıtlanmış sayısal modeln br başka avantajı da lerye dönük tahmnlern belrl güven aralığında yapılablmesne mkân sağlamasıdır. Dalgün vd. (016), denzlere at dalga, akıntı, rüzgar gb ölçümlern temn çn uzaktan algılama araçlarından brnn yüksek frekans (HF) denz radarları olduğunu bldrmştr. Şamandıra tp sstemlerden farkının, ölçümler noktasal ver olarak toplama yerne, grd noktası atarak alansal harta şeklnde çok genş alanlarda ölçüm vers sağlayablmes olduğundan bahsedlmştr. Yne aynı çalışmada, radarın yaydığı elektromanyetk dalgaların denz yüzeynde tutunarak lerlemes ve ger dönmes prensbyle çalıştığı belrtlmştr. Bu şeklde radar sstemle akıntı hızı ve yönü, dalga yükseklğ ve yönü, denz üzer rüzgâr yönü ölçüldüğü belrtlmştr. Denz radarları ve ölçüm yöntemle lgl daha detaylı teknk blgye, kaynaklar kısmında verlen Meteoroloj Genel Müdürlüğü nün web adresnden ulaşılablmektedr.. Yöntem Meteoroloj Genel Müdürlüğü tarafından, radar sstemle dalga ve akıntı ölçümü yapmak maksadıyla İstanbul Boğazı nın Karadenz çıkışına k adet sanal şamandıra yerleştrlmştr. HF_BuoyNorth olarak smlendrlen radar 41, K 9, D koordnatında; HF_BuoySouth_ olarak smlendrlen radar se 41, K 9, D koordnatında bulunmaktadır. Bu radar ölçümlernn güvenlrlğn test etmek çn, radarların en optmum şeklde kesştğ 41, K 695

3 9, D (HF_BuoySouth_1) koordnatına yerleştrlen gerçek br şamandıra le aylık (11 Mart 9 Mayıs 015) süre boyunca dalga yükseklğ ölçümü yapılmıştır. Gerçek şamandıra ölçümler, hem radar ölçümlernn hem de ölçüm alınan bölgede SWAN dalga model sonuçlarının güvenlrlğn test etmek çn kullanılmıştır. Radar ölçümlerçn senaryo uygulanmıştır. Senaryo-1 de, bütün şamandıra ölçümler ve radar ölçümler kullanılmıştır. Senaryo- de se, tüm radar verlernden gürültü olarak ntelendrlen verler ayıklanarak kalan verlere denk gelen şamandıra ölçümlerle kıyas yapılmıştır. SWAN model sonuçları se 3 farklı hesap ağı yöntemle elde edlen noktasal dalga yükseklğ sonuçları kullanılarak ayrı ayrı değerlendrlmştr. SWAN-1 (Tek katmanlı) şeklnde adlandırılan model, tüm Karadenz havzasını kapsayan kaba br sayısal ağ (course grd) le elde edlmş model (Akpınar vd. 016) sonuçlarıdır. SWAN- (İk katmanlı), SWAN-1 modelnden sınır koşulu alınarak ve Karadenz n batı kesmne odaklanarak daha nce br ağ sstem (fne grd) le elde edlen model (Bngölbal vd., 018) sonuçlarıdır. SWAN-3 (Üç katmanlı) se, SWAN- modelnden sınır koşulu alınarak ve Karadenz n güney batı bölgesne odaklanarak en nce sayısal ağ le elde edlmş model (Bngölbal vd., 018) sonuçlarıdır. İç çe geçmş ağ (nested grd) yapısı Şekl 1 de gösterldğ gb olan bu yöntemn ayrıntılı açıklaması Bngölbal vd. (018) çalışmasında verlmştr. Şekl 1. SWAN model ç çe geçmş ağ yapısı Tek katmanlı SWAN modelde, modeln en y sonuç veren hesaplama zaman aralığı 30 dakka, İk katmanlı ve Üç katmanlı modellerde en uygun hesaplama zaman aralığı 0 dakka olarak bulunduğundan SWAN modeller arasında ver sayıları farklılık göstermektedr. aylık gerçek şamandıra dalga yükseklğ ölçümler temel alınarak, ölçüm yapılan dönemde radar ölçümler ve farklı SWAN modellernn performansları değerlendrlmştr. Değerlendrmede, bahsedlen peryod boyunca ölçüm verlerle beraber radar ölçümler ve SWAN modellernn dalga yükseklğ 696

4 verler zaman sers grafklerncelenmştr. Daha sonra, şamandıra ölçümler ve güvenlrlğ test edlen ver setler arasındak farkları belrlemek çn bazı hata parametreler ve her ver setnn ortalamaları hesaplanmıştır. İk ver setnn ortalamaları arasındak farkı gösteren Bas değerler; Bas = X - Y (1) formülü le hesaplanmıştır. Burada X ölçümlern ortalamasını, Y kıyaslanan ver setnn ortalamasını belrtmektedr. Bunun yanında normalleştrlmş bas (NMB) parametres aşağıdak formül le hesaplanmıştır. Y - X NMB = () X Denklemde Y kıyaslanan ver setnn, etmektedr. NMB modeln, ölçümlere göre düşük veya yüksek tahmn etme eğlmn göstermektedr. Hataların ortalama karekökü (RMSE); 1 RMSE = n (X - Y ) (3) X ölçüm ver setnn değerlern temsl N =1 bağıntısıyla hesaplanmıştır. Normalleştrlmş RMSE se; n (Y - X ) NRMSE = =1 n (4) (X ) =1 formülüyle bulunmuştur. HH hata parametresn Hanna ve Henold (1985) ortaya koymuştur ve formülü aşağıdak gbdr. Y - X HH = (5) YX Dğer RMSE parametrelerne göre avantajı, gözlemlern ortalama değerne bağlı olmaması ve ortalamayı düşük tahmn eden model ortalamasından etklenmemesdr. Br başka hata ölçütü mutlak ortalama hata (MAE): 1 MAE = n Y - X (6) n =1 denklemne göre bulunmuştur. Wllmott (198) tarafından bulunan ve uygunluk ndeks (d) olarak tanımlanan hata parametres aşağıda verlen bağıntı le hesaplanmıştır. Y - X d =1- (7) Y - X + X - X Bu parametre, aynı gözlem versle farklı modeller arasında çapraz kıyaslama yapmak amacıyla kullanılmaktadır. Değer 0 le 1 arasında değşmektedr ve 1 e yakın değere sahp model le gözlem daha yakın br uyum göstermektedr. Hata parametreler hesaplandıktan sonra, gözlemlern ortalamasına göre RMSE değernn normalleştrmesn gösteren saçılım ndeks (SI); 697

5 RMSE SI = (8) X denklemne göre hesaplanmıştır. Son olarak, gözlemler ve model arasındak korelasyon derecesn gösteren korelasyon katsayısı aşağıdak denkleme göre bulunmuştur. n (X - X)(Y - Y) r= =1 (9) n n (X - X) (Y - Y) =1 =1 Korelasyon katsayısı -1 le +1 arasında değer almaktadır. Hesaplanan değern şaret ver setler arasındaklşknn yönünü göstermektedr. Mutlak değer olarak 1 e yakın değer ver setler arasında güçlü br doğrusal lşk olduğunu göstermektedr. Hata parametrelernn değerlendrlmesnden sonra gözlem verlerne karşılık kıyasa konu olan tüm ver setlernn saçılım dyagramları ncelenmştr. Bu dyagramlarda gözlem verlerle kıyaslanan ver set arasındak y=cx denklem le tanımlanan lşknn doğrusu (kırmızı çzg) ve en y uyumu gösteren doğru (keskl syah çzg) görülmektedr. N çakışan ver sayısını göstermekte ve c katsayısı: c= X Y (10) (X ) formülüne göre hesaplanmaktadır. Renk gösterges, 0,1 metrelk kareye düşen ver yoğunluğunu göstermektedr. Bu değerlendrmelere göre, aylık şamandıra ölçümlerne göre en y performansı gösteren SWAN modelle k farklı noktada alınan radar ölçümler yaklaşık yıllık dönem çn (1 Mart Şubat 018) yenden br kıyaslamaya tab tutulmuştur. Bu kıyaslamada, daha önce bahsedlen zaman sers, hata ölçütler ve saçılım dyagramlarının yanı sıra Q - Q (quantle-quantle) grafkler de ncelenmştr. Q Q grafğ, k ver setnn aynı dağılıma sahp br popülasyondan gelp gelmedğn gösteren br grafk teknğdr. Q Q grafğnde, k ver setçn çzlen noktalar 45 lk referans çzgsne ne kadar yakın se, bu k ver setnn benzer dağılıma sahp popülasyondan olduğu anlamına gelmektedr. 3. Sonuç ve Önerler Radar ölçümler ve SWAN dalga modellernn dalga yükseklğ verler, şamandıra ölçümlerle brlkte Şekl de zaman sers grafğ halnde verlmştr. Zaman sers grafklernde x eksen şamandıra ölçümlernn yapıldığı tarhlern, 015 yılının hang gününe denk geldğn göstermektedr. Şeklde, Senaryo 1 başlığıyla verlen grafkte tüm radar verler bulunurken; Senaryo başlığıyla verlen grafkte gürültü snyaller ayıklanmış radar ölçümler bulunmaktadır. Bu k senaryoda SWAN modellernn verler herhang br değşklk göstermemektedr. Senaryo 1 grafğnde radar ölçümler le şamandıra ölçümlernn pk yaptığı zamanlardak değerlerle uyumlu olduğu 698

6 görülmektedr. Bununla brlkte, gürültü snyaller sebebyle dğer zamanlarda, şamandıra ölçümlernden farklı ve yüksek düzeyde saçılmış br durum görülmektedr. Senaryo de gürültü snyallernden arındırılmış radar ölçümlerne bakıldığında, saçılmış vernn çok büyük br kısmının olmadığı ancak; sürekl olmayan br zaman sers halne geldğ görülmektedr. Ayrıca, şamandıra ölçümlernn düşük sevyede olduğu bazı günlerde (70. gün ve 14. gün gb) 1 1,5 m cvarında daha büyük dalga yükseklğ ölçtüğü tespt edlmştr. SWAN modellerncelendğnde, 1 m ve altındak dalga yükseklklernde şamandıra ölçümleryle daha uyumlu oldukları görülmektedr. SWAN modeller, metreye kadar olan ölçümlern pk değerlern yakın tahmn ederken; şamandıra ölçümlernde m üzer pk değerlern tahmnnde daha düşük kaldığı belrlenmştr. Bazı pk değerlerde (9. gün, 94. gün ve 109. gün gb), özellkle k katmanlı (SWAN-) ve üç katmanlı (SWAN-3) modeller, şamandıra ölçümlernden daha yüksek tahmnlerde bulunmuşlardır. SWAN modeller kendçersnde kıyaslandığında, k katmanlı SWAN modeln daha büyük dalga yükseklğ değerler vermekte, daha sonra üç katmanlı SWAN model gelmekte ve tek katmanlı SWAN model se kıyas yapılan zaman aralığının genelnde en düşük değerlerle seyr göstermektedr. Şekl. 11 Mart 9 Mayıs 015 zaman peryodunda şamandıra dalga yükseklğ ölçümler, radar ölçümler ve SWAN modellernn zaman serler Şamandıra ölçümlernn yapıldığı aylık peryotta, bu ölçümlere karşılık farklı senaryo le radar ölçümlernn ve 3 farklı sayısal ağ yöntem modellenmş SWAN model sonuçlarının hata parametrelernn sonuçları Tablo 1 de 699

7 özetlenmştr. RADAR-1 olarak smlendrlen hata değerler radar ölçümlernn Senaryo-1 de bahsedldğ gb gürültü snyallernçeren, RADAR- se Senaryo- ye göre gürültü snyallernn ayıklandığı durumdak ver setlernn değerlerdr. Gürültü snyaller sebebyle RADAR-1 ver setnn tüm hata değerler en yüksek ve korelasyon değer en düşüktür. Ölçüm verlernn ortalama değerne (0,7 m) en yakın olan ver set 0,83 m ortalama le SWAN- modeldr. -0,11 bas değerle SWAN- ve 0,13 bas le SWAN-3 ölçümlere yakın sonuç vermştr. Bu değerlerden görüldüğü gb zaman aralığının genelnde SWAN- ölçümlerden braz yüksek SWAN-3 braz düşük sonuç vermştr. %15 NMB ve 0,53 HH değerlerne göre en y sonuçlar SWAN- modelndedr. RMSE ve NRMSE değerlerne göre SWAN- ve SWAN-3 modeller yakın sonuçlar vermşlerdr. 0,3 0,35 m MAE değerleryle tüm SWAN modeller yakın performansa sahptr. Uyum ndeksne (d) göre 0,83 lük değerle yne SWAN- modely sonucu vermştr. %61 SI değeryle RADAR- ver set dğer ver setlernden daha y görünse de, bunun neden gürültü snyalnn ayıklandıktan sonra kalan zaman aralığındak şamandıra ölçümlernn ortalama değernn yüksek olmasıdır. Bu durumda, %67 SI değerle SWAN-3 ve %68 SI değerle SWAN- modeller daha y performansa sahptr. Şamandıra ölçümler ve dğer ver setler arasındak korelasyona baktığımızda, 0,78 le SWAN-1 modelnn ver set daha y sonuç vermştr. Bunun nedense, zamanın genelnde daha düşük seyreden ölçüm dalga yükseklklerne SWAN-1 verlernn yakın değerlerde olmasından kaynaklandığı düşünülmektedr. Tablo Mart 9 Mayıs 015 zaman peryodunda şamandıra dalga yükseklğ ölçümlerne karşılık, radar ölçümler ve SWAN modellernn hata statstğ n X ortalama Y ortalama bas NMB RMSE NRMSE HH MAE d SI r Radar ,7 1,50-0,78 1,08 1,18 1,19 1,08 0,85 0,49 1,64 0, Radar ,31 0,74 0,57-0,44 0,80 0,53 0,74 0,6 0,66 0,61 0,71 SWAN ,7 0,50 0, -0,31 0,5 0,53 0,71 0,33 0,74 0,7 0,78 SWAN ,7 0,83-0,11 0,15 0,49 0,49 0,53 0,35 0,83 0,68 0,7 SWAN ,7 0,59 0,13-0,18 0,48 0,49 0,60 0,3 0,80 0,67 0,74 Kıyaslamaya konu olan tüm ver setlernn şamandıra ölçüm ver setne karşılık çzlen saçılım dyagramları Şekl 3 te sunulmuştur. RADAR-1 ver setnde gürültü snyaller sebebyle şamandıranın düşük dalga yükseklğ ölçümlerne karşılık yüksek değerler ölçtüğü, bu nedenle de saçılım grafğnn olumsuz etklendğ görülmektedr. Tüm grafkler ncelendğnde, ölçüm ver setne karşılık en y saçılım gösteren ver setnn RADAR- olduğu görülmektedr. RADAR- ver setnden sonra en y performans SWAN- model ver setne attr. 700

8 Şekl 3 11 Mart 9 Mayıs 015 zaman peryodunda şamandıra dalga yükseklğ ölçümlerne karşılık, radar ölçümler ve SWAN modellernn saçılım dyagramları Şamandıra ölçümlerne göre en y performansı gösteren SWAN modeln k katmanlı SWAN model (SWAN-) olduğu belrlendkten sonra, yaklaşık yıllık br peryodu (1 Mart Şubat 018) kapsayan radar ölçümler (gürültü snyallern de çeren) le bu SWAN modeln kıyaslaması yapılmıştır. 701

9 Radar ölçümlerle SWAN- modeln zaman peryodu halndek grafkler Şekl 4 te sunulmuştur. Grafkler görsellğ artırmak çn 6 aylık peryotlar halnde verlmştr. Grafklerden de görülebleceğ gb radar ölçümlernde gerçek ölçümlern dışında gürültü snyaller bulunmaktadır. Radar ver setnde gerçek ölçüm vers olduğu tahmn edlen dalga yükseklklernn SWAN- modeln sonuçlarından zamanın büyük br bölümünde yüksek seyrettğ görülmektedr. Şekl. 1 Mart Şubat 018 zaman peryodunda radar dalga yükseklğ ölçümler ve SWAN- modelnn zaman serler yıllık süre boyunca gerçekleştrlen radar ölçümlerne göre SWAN- modelnn hata statstğ sonuçları Tablo de verlmştr. Radar verler gürültü snyalnden arındırılmamış halde olduğu çn, SWAN modeln ortalama değerle radar ölçümlernn ortalama değer yüksek derecede farklı çıkmıştır. 70

10 Bütün hata parametreler yüksek değer alırken; uyum ndeks (d) ve korelasyon katsayısı (r) düşük değerdedr. Bu durum lk kısımdak şamandıra ölçümlerle radar verlernn Senaryo 1 e göre kıyaslanmasında da görülmüştür. Tablo. 1 Mart Şubat 018 zaman peryodunda radar (HF_Buoy_North) le gerçekleştrlen dalga yükseklğ ölçümlerne karşılık, SWAN- modellnn hata statstğ X n ortalama Y ortalama bas NMB RMSE NRMSE HH MAE d SI r ,69 0,83 0,87-0,51 1,34 0,68 1,09 0,96 0,50 0,79 0, Radar ölçümlerne karşı SWAN- modeln saçılım grafğ ve Q - Q grafğ Şekl 5 te sunulmuştur. Saçılım grafğnde de, zaman sers ve hata parametrelernn kıyaslamasındakne benzer şeklde uyumsuzluk göze çarpmıştır. Q Q grafklernde, ver setler arasındaklşky temsl eden doğru (kırmızı çzg), büyük dalga yükseklklernde verler temsl eden noktalardan uzaklaşmaktadır. Ayrıca bu doğrunun, 45 lk referans doğrusundan (mav çzg) da uzak olduğu yan bu ver setlernn aynı dağılıma sahp popülasyondan gelmedğ görülmektedr. Bu durumun oluşmasına, gürültü snyallernden arındırılmamış radar ölçümlernn sebep olduğu düşünülmektedr. Şekl 5. 1 Mart Şubat 018 zaman peryodunda radar (HF_Buoy_North) le gerçekleştrlen dalga yükseklğ ölçümlerne karşılık, SWAN- modellnn saçılım dyagramları Radar ölçümlernn, gürültü snyal verler ayıklandığı takdrde gerçeğe yakın olduğu görülmüştür. Aks takdrde kullanılması çok sağlıklı olmayacaktır. Teşekkür Çalışma kapsamında kullandığımız sayısal programın temnnden dolayı Delft Ünverstes SWAN araştırma grubuna, şamandıra ve radar le dalga 703

11 ölçümlern gerçekleştren Meteoroloj Genel Müdürlüğü ne ve Karadenz n batmetrsn temn ettğmz GEBCO (General Bathymetrc Chart of the Oceans) ya teşekkür ederz. Kaynaklar Akpınar, A., Bngölbal, B., Van vledder, G.Ph., 016. Wnd and wave characterstcs n the Black Sea based on the SWAN wave model forced wth the CFSR wnds. Ocean Engneerng, 16, Bngölbal, B., Akpınar, A., Jafal, H., Van Vledder, G.Ph Downscalng of wave clmate n the western Black Sea. Ocean Engneerng. Under revew. Dalgün, C., Eskoğlu, P., Yağan, Y., 016. İstanbul Boğazı Karadenz Çıkışında Kurulan HF (Hıgh Frequency) Denz Radarı nın, Meteorolojk Amaçlı Ölçüm Şamandırası (Mas) İle Verfkasyonu. I. Ulusal Denzlerde İzleme ve Değerlendrme Sempozyumu, 1-3 Aralık, Ankara. Hanna, S.R., Henold, D.W., Development and applcaton of a smple method for evaluatng ar qualty. Techncal report. Amercan Petroleum Insttute, Health and Envronmental Affars Dept., Washngton. Wllmott C.J., 198. Some comments on the evaluaton of model performance. Bulletn Amercan Meteorologcal Socety 63 (11), İnternet adres: ( ) 704