Hybrid mssa-geostatistical approach to spatio-temporalinterpolation of meteorological variables:the case of the meric-ergene basin
Meteorolojik değişkenlerin uzamsal-zamansalenterpolasyonuna hibrit mssa-jeoistatiksel yaklaşım:meriç-ergene havzası örneği
- Tez No: 1010931
- Danışmanlar: PROF. DR. KASIM KOÇAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Coğrafi veriler, Eksik veri, Uzay-zamansal kesiklik, Geographic datas, Missing data, Spatio-temporal intermittency
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel iklim değişikliğinin etkilerinin her geçen gün daha somut hissedildiği günümüzde, hidrolojik döngünün doğru modellenmesi, su kaynaklarının yönetimi, kuraklık izleme ve taşkın risk analizleri gibi kritik süreçler, yüksek çözünürlüklü ve kesintisiz meteorolojik verilere ihtiyaç duymaktadır. Ancak, gelişmekte olan ülkeler ve sınır aşan havzalar başta olmak üzere pek çok bölgede, meteorolojik gözlem ağları (istasyonlar) uzamsal olarak yetersiz dağılıma sahip olmakta veya mevcut istasyonlarda teknik arızalar nedeniyle veri süreksizlikleri yaşanmaktadır. Bu veri boşlukları, hidrolojik modellerin güvenilirliğini zedelemekte ve karar vericilerin hatalı stratejiler geliştirmesine yol açabilmektedir. Bu tez çalışması, söz konusu veri eksikliklerini ve uzamsal-zamansal süreksizlikleri gidermek amacıyla, literatürdeki geleneksel yöntemlerin ötesine geçen yenilikçi bir metodolojik çerçeve sunmaktadır. Çalışmanın temel amacı; Çok Değişkenli Tekil Spektrum Analizi (Multivariate Singular Spectrum Analysis-MSSA) tekniklerinin güçlü zamansal ayrıştırma yeteneği ile Ters Mesafe Ağırlıklandırma (IDW), Radyal Tabanlı Fonksiyonlar (RBF) ve Kriging gibi jeoistatistiksel/deterministik yöntemlerin uzamsal tahmin kapasitesini birleştiren“hibrit”bir yaklaşım geliştirmektir. Çalışma sahası olarak, Türkiye'nin en önemli tarımsal üretim merkezlerinden biri olan ve aynı zamanda taşkın/kuraklık risklerine açık yapısıyla bilinen Meriç- Ergene Havzası seçilmiştir. Çalışma, havza genelindeki nokta ölçümlerinden (istasyon verileri) yola çıkarak, ölçüm yapılmayan konumlarda günlük toplam yağış, maksimum sıcaklık ve minimum sıcaklık verilerinin yüksek doğrulukla sentetik olarak üretilmesini ve eksik verilerin tamamlanmasını hedeflemektedir. Bu bağlamda önerilen hibrit model, veriyi sadece uzamsal bir yüzey olarak değil, zaman içinde evrilen dinamik bir sinyal olarak ele almasıyla geleneksel enterpolasyon çalışmalarından ayrışmaktadır. Meteorolojik verilerin enterpolasyonu üzerine yapılan literatür çalışmaları incelendiğinde, yöntemlerin genellikle iki ana sınıfta toplandığı görülmektedir: Deterministik yöntemler (IDW, RBF) ve stokastik/jeoistatistiksel yöntemler (Kriging). Deterministik yöntemler, matematiksel formüllere dayalı olarak örneklem noktaları arasındaki mesafeyi temel alırken; stokastik yöntemler, verinin uzamsal otokorelasyonunu (variogram) modelleyerek tahmine bir hata payı ekler. Ancak, bu geleneksel yöntemlerin ortak kısıtı, verinin“zamansal”boyutunu, trendlerini ve mevsimsel döngülerini genellikle analiz dışı bırakmaları veya her zaman adımını birbirinden bağımsız“anlık görüntüler”(snapshots) olarak işlemeleridir. Bu durum, özellikle meteorolojik veriler gibi güçlü zamansal bağımlılık içeren serilerde bilgi kaybına neden olmaktadır. Bu tezde kullanılan MSSA yöntemi ise, zaman serisi analizinde gürültüyü sinyalden ayırma ve veri setindeki baskın osilasyonları (periyodik hareketleri) belirleme konusundaki başarısıyla öne çıkmaktadır. Literatürde“tırtıl”(caterpillar) yöntemi olarak da bilinen SSA'nın çok değişkenli uzantısı olan MSSA, farklı istasyonlardan gelen zaman serilerini tek bir yörünge matrisinde birleştirerek, tüm ağa hâkim olan ortak davranış kalıplarını ortaya çıkarır. Çalışmanın teorik altyapısı, meteorolojik değişkenlerin doğasındaki temel farklılık üzerine kurulmuştur. Sıcaklık, termodinamik yasalar gereği uzayda ve zamanda süreklilik arz eden, düşük frekanslı değişimlere sahip bir değişkendir. Buna karşın yağış; oluşum mekanizmaları gereği (konvektif, orografik vb.) yüksek derecede kesintili sıfır değerlerinin sık görüldüğü ve uzamsal korelasyonun hızla düştüğü süreksiz bir yapıdadır. Tezin literatür bölümü, bu iki farklı değişken türünün enterpolasyonunda hibrit yöntemin performans farklarını teorik zeminle açıklamaktadır. Çalışma, nispeten düz bir topoğrafyaya sahip olması nedeniyle orografik etkilerin karmaşıklığını minimize eden, ancak sınır aşan sular ve yoğun tarımsal faaliyetler nedeniyle veri kalitesinin hayati olduğu Meriç-Ergene Havzası üzerinde gerçekleştirilmiştir. Analizlerde, Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM) ağından temin edilen ve 1990-2025 yılları arasını kapsayan 35 yıllık günlük veriler kullanılmıştır. Toplam 20 meteorolojik gözlem istasyonu çalışmaya dahil edilmiş; istasyonların kuruluş tarihleri, veri süreklilikleri ve coğrafi dağılımları dikkate alınarak“Referans (Eğitim) İstasyonları”ve“Test (Doğrulama) İstasyonları”olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. Çalışmada izlenen yöntem hiyerarşisi aşağıdaki adımlardan oluşmaktadır: 1. Veri Ön İşleme ve Kümeleme Analizi (Cluster Analysis): Ham veriler üzerindeki aykırı değerler temizlenmiş ve standartlaştırma işlemi uygulanmıştır. İstasyonlar arasındaki iklimsel homojenliği belirlemek ve benzer rejimlere sahip istasyonları gruplandırmak amacıyla Hiyerarşik ve Hiyerarşik Olmayan (K-means) kümeleme analizleri uygulanmıştır. Bu adım, enterpolasyon yapılacak hedef noktaya en uygun“komşu”istasyonların seçilmesi için kritik bir öneme sahiptir. 2. Çok Değişkenli Tekil Spektrum Analizi (MSSA): Seçilen istasyonların zaman serileri kullanılarak,“kayan pencere”(M) tekniği ile çok boyutlu bir yörünge matrisi oluşturulmuştur. Bu matris üzerinde Özdeğer Ayrışımı (SVD) uygulanarak, veri setindeki varyansı açıklayan özvektörler (Empirical Orthogonal Functions-EOFs) ve bunlara karşılık gelen temel bileşenler (Principal Components-PCs) elde edilmiştir. Bu süreç, veriyi“Sinyal”(Trend + Mevsimsellik + Anlamlı Salınımlar) ve“Gürültü”(Rastgele Hata) olarak ayrıştırmaya olanak tanımıştır. 3. Hibrit Enterpolasyon Süreci: Bu aşama tezin en özgün katkısıdır. Geleneksel yöntemin aksine, ham veriler doğrudan enterpole edilmemiştir. Bunun yerine, MSSA sonucunda elde edilen ve verinin uzamsal desenlerini temsil eden EOFs (Uzamsal Özvektörler), hedef konum (istasyon olmayan nokta) için uzamsal enterpolasyon yöntemleri (IDW, RBF, Kriging) kullanılarak tahmin edilmiştir. 4. Zaman Serisi Yeniden İnşası (Reconstruction): Hedef konum için enterpole edilen uzamsal özvektörler (EOFs) ile mevcut verilerden elde edilen zamansal katsayılar (PCs) birleştirilerek, o noktaya ait sentetik zaman serileri (Reconstructed Components-RCs) oluşturulmuştur. Modelin başarısı, test istasyonlarında ölçülen gerçek değerler ile hibrit modelin ürettiği sentetik değerler arasındaki farklar üzerinden; Hata Kareler Ortalamasının Karekökü (RMSE), Ortalama Mutlak Hata (MAE) ve determinasyon katsayısı (R2) gibi istatistiksel metriklerle değerlendirilmiştir. Ayrıca, MSSA'nın M (pencere boyutu) parametresinin model hassasiyeti üzerindeki etkisi detaylıca incelenmiştir. Analiz sonuçları, önerilen hibrit MSSA-Jeoistatistiksel yaklaşımın performansının, ele alınan meteorolojik değişkenin fiziksel doğasına (sürekli/süreksiz) göre dramatik farklılıklar gösterdiğini ortaya koymuştur. Sıcaklık Değişkenleri (Maksimum ve Minimum Sıcaklık): Sıcaklık verileri için model, son derece yüksek bir başarı oranı sergilemiştir. Sadece iki komşu istasyonun verisi kullanıldığında dahi, hedef noktadaki sıcaklık serisi %90'ın üzerinde bir doğrulukla (R2>0.90) yeniden üretilebilmiştir. M Parametresinin Etkisi: Sıcaklık analizlerinde, MSSA pencere boyutu (M) arttıkça RMSE değerlerinin düşme eğiliminde olduğu, yani modelin uzun dönemli hafızayı kullanarak daha hassas tahminler yaptığı tespit edilmiştir. Bu durum, sıcaklığın güçlü mevsimsel döngüsü ve düşük gürültü oranı ile açıklanmıştır. Yağış Değişkeni (Günlük Toplam Yağış): Süreksiz ve yüksek varyanslı bir yapıya sahip olan günlük yağış verilerinde, modelin performansı sıcaklığa kıyasla daha düşüktür ve daha karmaşık bir davranış sergilemiştir. İstasyon Yoğunluğu İhtiyacı: Mantıksal ve kabul edilebilir bir doğruluk seviyesine ulaşmak için, sıcaklığın aksine en az altı ila yedi komşu istasyonun verisinin modele dahil edilmesi zorunlu görülmüştür. Yağışın yerel karakteri, az sayıda istasyonla temsil edilmesini engellemektedir. M Parametresinin Etkisi: Yağış verilerinde pencere boyutu (M) değiştirildiğinde, RMSE değerlerinde tutarlı bir iyileşme gözlenmemiş, aksine bazı durumlarda hata oranlarının arttığı belirlenmiştir. Bu durum, yağışın kaotik yapısının uzun vadeli doğrusal ilişkilere sıcaklık kadar uymadığını göstermektedir. Gürültü Ayrıştırma ve Aşırı Değerler: Çalışmanın en kritik bulgularından biri, MSSA'nın“gürültü azaltma”özelliğinin iki ucu keskin bir bıçak olduğudur. Yöntem, verideki genel trendleri ve mevsimselliği mükemmel bir şekilde yakalarken; taşkınlara neden olan aşırı yağışlar veya anlık sıcaklık düşüşleri/yükselişleri gibi“ekstrem olayları”genellikle gürültü bileşeni olarak sınıflandırıp eleme eğilimi göstermiştir. Sonuç olarak, üretilen sentetik seriler (RCs), ortalama iklim koşullarını başarıyla temsil ederken, uç değerleri“yumuşatma”(smoothing) eğilimindedir. Bu tez çalışması, Meriç-Ergene Havzası örneğinde, hibrit MSSA-Jeoistatistiksel yaklaşımın meteorolojik verilerin tamamlanması ve enterpolasyonunda güçlü bir alternatif olduğunu kanıtlamıştır. Yöntem, özellikle iklim değişikliği çalışmaları gibi uzun vadeli trendlerin ve ortalama koşulların önem arz ettiği analizler için üstün bir performans sunmaktadır. Sıcaklık gibi sürekli değişkenler için bu yöntem, seyrek istasyon ağlarında bile güvenilir veri üretimi sağlayarak“sanal istasyon”kurulumuna olanak tanımaktadır. Ancak, taşkın yönetimi ve ekstrem olay analizi gibi uç değerlerin kritik olduğu uygulamalar için yöntemin mevcut haliyle kullanımında sınırlılıklar bulunmaktadır. Modelin yüksek frekanslı bileşenleri (gürültü olarak atfedilen ancak ekstrem olay bilgisini taşıyan kısımlar) filtrelemesi, sel ve kuraklık risk değerlendirmelerinde hataya yol açabilir. Gelecek çalışmalar için öneriler şunlardır: 1. Süreksiz Değişkenler İçin Özelleştirme: Yağış gibi“Sıfır”şişkinliğine sahip ve süreksiz değişkenler için, MSSA'nın bu yapıya uygun (örneğin“Intermittent MSSA”varyasyonları) yöntemlerle geliştirilmesi gerekmektedir. 2. Gürültü Entegrasyonu: Ekstrem olayların yakalanabilmesi için, analiz dışı bırakılan gürültü bileşenlerinin istatistiksel özelliklerinin (olasılık dağılımlarının) modellenerek, yeniden oluşturulan serilere kontrollü bir şekilde“stokastik gürültü”olarak eklenmesi (re-integration) önerilmektedir. 3. İstasyon Ağı Optimizasyonu: Çalışma sonuçları, özellikle yağış gözlemleri için Meriç-Ergene Havzası'ndaki istasyon yoğunluğunun artırılması gerektiğini göstermektedir. Gözlem ağı rasyonalizasyon çalışmalarında bu bulgu dikkate alınmalıdır. Sonuç olarak bu tez, hidro-meteorolojik verilerin uzamsal-zamansal analizi konusunda literatüre metodolojik bir katkı sunmakta ve bölgesel su yönetimi stratejileri için bilimsel bir altlık oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis examines the critical challenge of obtaining accurate and continuous climate records, which are essential for hydrological modeling, disaster management, and sustainable water resource planning in regions such as the Meriç-Ergene Basin. The primary issue arises from the inherent difficulties of meteorological observation, including sparse monitoring networks and the complex spatio-temporal characteristics of variables such as daily maximum and minimum temperatures and total daily precipitation. Traditional interpolation methods are limited because they treat simultaneous measurements independently and do not account for natural temporal evolution, long-term trends, or seasonal fluctuations within climate data. This research develops and evaluates a robust hybrid statistical framework for spatio-temporal interpolation of point meteorological measurements. The primary methodological innovation integrates the time-series analysis capabilities of Multivariate Singular Spectrum Analysis (MSSA) with the spatial estimation strengths of geostatistical techniques, including Inverse Distance Weighting (IDW), Radial Basis Function (RBF), and Kriging. The approach is systematic: MSSA is first applied to decompose multivariate time-series data from 20 stations in the Meriç-Ergene Basin, extracting dominant temporal patterns such as nonlinear trends and periodicities. Subsequently, the spatial distribution of the resulting eigenvectors is modeled using the selected geostatistical methods. This process enables reconstruction of underlying signals through Reconstructed Components (RCs), which are then used to generate synthetic time series and accurately fill missing data at locations without measurement stations, such as test station 18096 in Lalapaşa. The efficacy of this combined approach is rigorously evaluated using performance metrics, including Root Mean Square Error (RMSE), to demonstrate a more robust spatio-temporal predictive model compared to existing methods. Additionally, Cluster Analysis (CA) is employed to identify homogeneous climatic regions within the basin, supporting network design and regionalization. The research produced three principal conclusions regarding the performance of the hybrid model: Efficacy of the Hybrid Model: The integration of MSSA's temporal pattern extraction with geostatistical methods for spatial modeling demonstrates a powerful, data-adaptive alternative to static interpolation. This framework effectively reconstructs the continuous spatio-temporal field of the meteorological variables. Model performance varies according to the type of meteorological variable: Continuous Variables (Temperature): For daily maximum and minimum temperatures, the hybrid approach achieved high success, with spatial interpolation rates exceeding 90% using only two nearby stations. Notably, the Root Mean Square Error (RMSE) for temperature decreased as the MSSA sliding window size (M) was varied, confirming the effectiveness of temporal decomposition for continuous data. Discontinuous Variables (Precipitation): Precipitation, characterized by its intermittent and non-continuous structure, presented greater challenges. Reliable spatial representation required a denser monitoring network, with six to seven nearby stations necessary to maintain high logical success. Unlike temperature, the RMSE for precipitation increased with variations in M, indicating greater difficulty in modeling its complex temporal structure. Framework, by isolating and filtering stochastic noise to reconstruct dominant signals, failed to accurately capture extreme meteorological values (both peaks and troughs). This constraint inherently limits the model's direct applicability in specific high-stakes fields, such as flood and drought risk assessment, where the fidelity of extreme-event simulation is a paramount requirement. In summary, the thesis validates the hybrid MSSA-Geostatistical framework as a viable method for enhancing the integrity of basin-level climate records. It also provides data-driven recommendations for optimal parameter selection and monitoring network density, tailored to the distinct spatio-temporal behavior of continuous and discontinuous meteorological variables.
Benzer Tezler
- Buğdayda farklı melezleme teknikleri kullanarak tohum tutma oranının saptanılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL TÜZÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
ZiraatUludağ ÜniversitesiTarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİS RUHİ EKİNGEN
- Bazı limon çeşitleri ve bunların melezlerinin morfolojik karakterleri ile uçkurutan (phoma tracheiphila kanc. ve ghik) hastalığına dayanıklılık arasındaki ilişkiler
Başlık çevirisi yok
GÜLİZ GÖRGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
ZiraatÇukurova ÜniversitesiBahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNDER TUZCU
- Kemalpaşa etlik piliç işletmelerinin teknik ve ekonomik yönden incelenmesi
Başlık çevirisi yok
HAYRİ TUNA YÜKSELEN
- Bornova koşullarında 23 melez mısır çeşidinde adaptasyon ve verimlilik araştırması
Başlık çevirisi yok
FERDAN ÇİFTÇİ
- Rana ridibunda (anura-ranidae) kompleksi üzerinde morfolojik, serolojik ve ekolojik araştırmalar
Başlık çevirisi yok
HÜSEYİN ARIKAN