Investigation of climate dynamics over euro-mediterranean region using a variable- resolution global cesm model
Avrupa-akdenı̇z ı̇klı̇mı̇nı̇n değı̇şken çözünürlüklü küresel cesm modelı̇ (VR-CESM) ı̇le ı̇ncelenmesı̇
- Tez No: 947576
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER LÜTFİ ŞEN, PROF. DR. MEHMET ILICAK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Meteoroloji, Science and Technology, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: İklim modelleri, Climate models
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yer Sistem Bilimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Avrupa-Akdeniz'in coğrafi konumu ve karmaşık topografyası, küreselden lokale birçok ölçek arasındaki karmaşık, doğrusal olmayan etkileşimlerin ve kademeli geri bildirimlerin düzenlediği bir bölgesel iklime ve mekansal ve zamansal olarak çok çeşitli iklim özelliklerine yol açmaktadır. Dolayısıyla, bölgesel iklimin gerçekçi bir şekilde simüle edilebilmesi için bölgesel yüksek çözünürlüğün yanı sıra bölgeyi etkileyen büyük ölçekli olayların da tutarlı bir şekilde hesaba katılması gereklidir. Bir başka deyişle, Avrupa-Akdeniz iklim araştırmaları için en uygun modelleme yaklaşımı, küresel bağlamda bölgesel yüksek çözünürlük sunan bir yaklaşım olacaktır. Öte yandan, bölgenin bir iklim değişikliği sıcak noktası olması, mevcut iklimi daha iyi anlama ve daha gerçekçi gelecek simülasyonları sağlama gereksinimini özellikle artırmakta ve iklim değişikliğinin sosyoekonomik boyutları bu gereksinimi daha da acil hale getirmektedir. Bu araştırmada, Avrupa-Akdeniz'in mevcut iklimini simüle etmek ve daha iyi anlamak için göreceli yeni bir modelleme aracı olan Değişken Çözünürlüklü Topluluk Yer Sistemi Modeli (VR-CESM) kullanılmakta ve özel olarak yüzeye yakın hava sıcaklığı ve yağış değişkenlerine odaklanılmaktadır. Çalışmanın temel amaçları (a) Avrupa-Akdeniz bölgesi için yüzey hava sıcaklığı ve yağışı doğru şekilde simüle etmek, (b) kontrol simülasyonu ile ve gözlem tabanlı referans verileriyle karşılaştırma yoluyla VR-CESM'in ilgili becerisini değerlendirerek sapmaların nedenlerini ortaya koymak ve yorumlamak ve (c) sapmaları azaltmaya yönelik bir parametre ayarlama deneyi gerçekleştirmektir. VR-CESM, Topluluk Atmosfer Modeli'nin (CAM) spektral eleman (SE) dinamik çekirdeğini (CAM-SE) kullanan alternatif bir modelleme yaklaşımı sunar. Bu yöntem, yapılandırılmamış“cubed-sphere”ızgara düzeni sayesinde küresel bir ızgarada değişken çözünürlük kullanılmasına olanak tanır. Böylece, ilgilenilen bölgenin yüksek çözünürlüğe, bölge dışındaki alanlarınsa düşük çözünürlüğe sahip olduğu küresel simülasyonlar yapılabilir. Yöntem tekdüze yüksek çözünürlüklü küresel modellere kıyasla daha yüksek verim sağlar ve daha küçük veri depolama alanına gereksinim duyar. Hesaplama kaynaklarının yalnızca belirli bir bölgede yüksek çözünürlük hedeflenerek kullanılması sayesinde elde edilen hesaplama maliyeti avantajıyla küresel tekdüze çözünürlüklü modellerle genellikle mümkün olmayan çözünürlüklerde bölgesel bilgi elde edilebilir. Bu şekilde tasarruf edilen hesaplama kaynakları model ya da başlangıç koşulu belirsizliklerini azaltmaya yönelik topluluk (ensemble) simülasyonları yapmak, simülasyon sürelerini uzatmak ya da bu çalışmada yapıldığı gibi parametre ayarlama (parameter tuning) deneyleri gerçekleştirmek amacıyla kullanılabilir. Ayrıca, global olarak tek bir modelin kullanılmasıyla bölgesel iklim modellerinde olduğu gibi yanal sınır koşullarına gereksinim duyulmaz ve bundan kaynaklı tutarsızlıklar ile sapmaların yüksek çözünürlüklü çalışma alanına aktarılması gibi sorunlar en aza indirilmiş olur. Yarı-tekdüze (quasi-uniform) bir ızgara yapısının kullanılmasıyla geleneksel enlem-boylam ızgaralarında boylamların kutuplarda birleşmesi nedeniyle ortaya çıkan“kutup probleminin”ortadan kaldırılması ve primitif hareket denklemlerinin spektral elemanlarda lokal olarak çözülmesiyle mükemmele yakın ölçeklenebilirlik elde edilir. Bir başka deyişle, bu teknik sayesinde günümüzün gelişmiş paralel hesaplama platformlarından neredeyse tam kapasiteyle yararlanılabilir. VR-CESM, belirtilen avantajlarının yanı sıra, bir kısmı halihazırda üzerinde çalışılmakta olan ve yeni sürümlerde ortadan kaldırılması beklenen bazı zorluklara da sahiptir. VR-CESM, her ızgara aralığında aynı fiziksel parametreleri kullanmaktadır ve ölçek-farkında (scale-aware) fiziksel parametrelendirmelere gereksinim duyulmaktadır. VR-CESM'in bir diğer zorluğu hidrostatik yaklaşımın kullanımıyla ilgilidir. CAM-SE hidrostatik bir dinamik çekirdek olduğundan, model hidrostatik olmayan ölçeklerde (~<10 km) desteklenmez. Bununla birlikte, VR-CESM'in hidrostatik olmayan çözünürlüklerde simüle etme yeteneği ortaya konulmuştur. Model başlatmadan kaynaklanan bir zorluk ise yapılandırılmış (geleneksel) ızgaralardan gelen verilerin enterpole edilmesiyle oluşan dengesizlik durumudur. Bu çalışmada Avrupa Akdeniz'in iklimi 1° (111 km) küresel yatay çözünürlükten bölgesel olarak artırılmış 0.25° (28 km) ve 0.125° (14 km) çözünürlüklerde araştırılmıştır. Bu amaçla, sadece atmosfer ve kara bileşenlerinin aktif olduğu bir Atmosferik Model Karşılaştırma Projesi (AMIP) kurulumu kullanıma hazır FHIST bileşen setiyle koşturulmuştur. Atmosfer modeli olarak CESM2.2 sürümünün aktif atmosfer bileşeni olan CAM6.3, kara modeli olaraksa Topluluk Kara Modeli sürüm 5 (Community Land Model version 5; CLM5) kullanılmıştır. Tüm simülasyonlar 1998- 2014 yılları arasında entegre edilmiş ve ilk iki yıl, modelin dengeye ulaşması (spin- up) amacıyla analiz dışı bırakılmıştır. Simülasyonların performansı, mevcut gözlem tabanlı veri setleri ve aynı dinamik ve benzer fiziğe sahip olan kaba çözünürlüklü (yarı- tekdüze 1°) kontrol simülasyonu ile karşılaştırma yoluyla değerlendirilmiştir. Ayrıca, modelin en üst seviyesindeki kısa ve uzun dalga zorlamalarının gözlemlerle daha iyi eşlenmesinin hedeflendiği bir parametre ayarlama deneyi gerçekleştirilmiştir. Çalışmada VR-CESM'in katma değerinin yanı sıra model çözünürlüğü ve/veya grid altı ölçek parametrizasyonlarıyla ilişkili sistemli sapmaların nedenleri ortaya konulmuştur. Elde edilen iyileştirmeler asıl olarak yüksek çözünürlükle kompleks topografyanın daha iyi temsil edilmesiyle ilgilidir. Bölgesel çözünürlüğün 0.25°'ye artırılması genel olarak hem sıcaklığın hem de yağışın temsilinde kontrol simülasyonuna göre önemli iyileştirmeler sağlamıştır. En yüksek çözünürlüklü bölgenin çözünürlüğünün iki katına (0.125°'ye) çıkarılmasıyla elde edilen iyileştirmelerin 1°'den 0.25°'ye çıkarılarak elde edilenlerle orantılı olmaması, 0.25° ve 0.125°'deki topografik temsillerin oldukça benzer olmasıyla ilişkilidir. Bununla birlikte, 0.125° çözünürlükte bölgenin bugünkü ve gelecekteki iklimi açısından önemli olan ekstrem olaylar gibi küçük ölçekli süreçlerin temsilinde belirgin iyileştirmeler elde edilmiştir. Değişken çözünürlüklü (VR) simülasyonlar Avrupa-Akdeniz bölgesi üzerinde sıcaklığın alansal değişkenliğini kontrol simülasyonundan daha yüksek patern korelasyonlarıyla (0.97-0.99 arası) temsil etmektedir. Bölgesel çözünürlüğün 0.25°'ye artırılması sıcaklık sapmalarının önemli ölçüde azalmasını sağlamıştır. Örneğin, 1° çözünürlükte sırasıyla kış, ilkbahar, yaz ve sonbahar mevsimlerinde 2.38, 1.82, 2.06 ve 1.81°C (RMSE; ortalama karekök hatası olarak) gibi yüksek alansal ortalama sapmaları mevcutken bu sapmalar çözünürlüğün 0.25°'ye artırılmasıyla 1.38, 1.07, 1.67 ve 1.13°C'ye düşmüştür. VR simülasyonları ile istatistiksel olarak anlamlı sapmaların olduğu toplam alanda da azalma görülmüştür (örneğin, kontrol simülasyonunda yüksek dağlarda ve kıyılarda görülen 6°C'yi aşabilen sıcak sapmaları ya da güneydeki bölgelerde görülen ve yer yer 5°C'yi aşan soğuk sapmaları). Yağış, birçok ölçekte gerçekleşen süreçlerin sonucu olarak oluştuğundan ve mekansal-alansal anlamda önemli bir heterojenlik içerdiğinden yağışın simülasyonu ve elde edilen sonuçların değerlendirilmesi sıcaklığa kıyasla daha zorludur ve bizimki gibi karmaşık bir topografyaya sahip olan çalışma alanlarında bu zorluk daha da artmaktadır. Bir başka zorluk da kullandığımız en yüksek çözünürlükte dahi konvektif parametrizasyonlara olan bağımlılığın tamamen ortadan kaldırılamamasından kaynaklanan belirsizliklerdir. Buna karşın, VR simülasyonları yağışın alansal değişkenliğini de 0.91-0.95 arası patern korelasyonlarıyla kontrol simülasyonundan daha iyi bir şekilde temsil etmektedir. Çözünürlüğün artırılmasıyla özellikle yaz mevsiminde olmak üzere yağış sapmalarında da azalma görülmüştür. 1° çözünürlükte sırasıyla kış, ilkbahar, yaz ve sonbahar mevsimlerinde %39.70, 29.49, 173.89, ve 69.87 (rRMSE; bağıl ortalama karekök hatası olarak) olan sapmalar 0.25° çözünürlükte %34.63, 23.60, 133.07 ve 50.28 olarak gerçekleşmiştir. İyileştirmeler keskin topografik karşıtlıkların olduğu bölgelerde oldukça belirgindir. Örneğin, kontrol simülasyonunda yüksek dağların rüzgarüstü/rüzgaraltı taraflarında görülen pozitif/negatif yağış sapmaları ve kıyılardaki negatif yağış sapmaları gibi bazı mevsimlerde ve bölgelerde 2 mm/gün'ü geçebilen sapmalar ya da yüksek dağların rüzgarüstü/rüzgaraltı taraflarındaki sapmalar arasındaki 7 mm/gün'ü geçebilen farklar çözünürlük artışıyla önemli ölçüde azalmıştır. Ayrıca, VR simülasyonlarında yükselici hava hareketlerinin yerleri ve güçleri topografyayla daha iyi çakışmakta, 0.125° çözünürlükte orografik yükselici hareketler en güçlü şekilde temsil edilmektedir. 0.125° günlük ekstrem maksimum sıcaklıklar açısından tüm simülasyonlar arasında en iyi performansı göstermektedir (sadece sonbaharda 0.25° ile benzer sapmaya sahiptir). Ekstrem yağış açısından her iki VR simülasyonu da yaz ve sonbaharda kontrol simülasyonundan, 0.125° çözünürlüklü simülasyon ise tüm mevsimlerde 0.25°'den daha iyi performans göstermektedir (örneğin, 1°, 0.25° ve 0.125° için yaz mevsiminde ekstrem yağışı sapmaları CPC ve E-OBS referans verilerine göre sırasıyla 6.09, 5.36, 4.68 mm/gün ve 6.36, 5.63, 5.02 mm/gündür). VR-CESM'in önemli hesaplama maliyeti avantajı da bu çalışmayla bir kez daha ortaya konulmaktadır. Örneğin, 0.25° bölgesel çözünürlük sunan VR simülasyonu küresel tekdüze 0.25° simülasyonun 6'da birinden daha düşük bir maliyete sahiptir. Bu avantaj sayesinde 1° ve 0.25° konfigürasyonların her biri için 7 üyeden oluşan topluluk simülasyonları ve yine 7 üyeden oluşan bir parametre ayarlama deneyi gerçekleştirilebilmiştir. Bölgenin çok karmaşık topografyası ve kapsadığı iklimsel olarak farklı bölgeler nedeniyle simülasyon sonuçlarının yorumlanmasında önemli zorluklar ortaya çıkmaktadır. Aynı derecede önemli olan bir başka konu da varsayılan model parametrizasyonlarının kaba çözünürlüklü simülasyonlarda kullanılmak üzere geliştirilmiş olmasıdır. Bu nedenle çözünürlüğü artırmak ve buna bağlı olarak zaman adımını azaltmak, konvektif şemanın aktivitesindeki azalmadan kaynaklananlar da dahil olmak üzere bazı yapay sapmalara yol açmaktadır. Artan çözünürlükle yüksek rakımlarda aşırı tahmin edilen yağış gibi yapay hataların bir başka kaynağı da gözlemsel veri kümelerinin yüksek bölgelerde yeterli gözlem istasyonu bulunmaması gibi nedenlerden kaynaklanan eksiklikleridir. Ayrıca, farklı değişkenler arasındaki nedensel ilişkilerden dolayı bir değişkenin sapması çoğunlukla diğerlerinde de sapmalara yol açmaktadır. Dolayısıyla, sonuçlar dikkatli bir şekilde yorumlanmalıdır. Küresel tekdüze düşük çözünürlükle karşılaştırıldığında genel olarak sapmaları azaltması, daha yüksek patern korelasyonlarına sahip olması, topografik etkinin neden olduğu süreçlerde ve küçük ölçekli süreçlerde belirgin iyileştirmeler sağlaması ve dolayısıyla bölgenin bugünü ve geleceği açısından kritik olan ekstrem olayların temsili için kullanışlı bir alternatif olması, büyük ölçekli sirkülasyonu tutarlı bir şekilde temsil etmesi, paralel hesaplama mimarilerinden etkin bir şekilde yararlanabilmesi ve hesaplama maliyeti avantajı göz önüne alındığında VR-CESM'in etkinliği bu çalışmada açık bir şekilde ortaya konulmuştur. Bölgenin VR-CESM kullanımı için çok uygun bir çalışma alanı olduğu öngörüsüyle yola çıkılan bu araştırmayla elde edilen sonuçlar, bu modelleme yaklaşımının Avrupa-Akdeniz günümüz iklimi çalışmaları için kullanışlı, hatta bilimsel amaca bağlı olarak önemli katma değer sunan, gelecek projeksiyonları içinse umut verici bir alternatif olduğunu ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
This thesis demonstrates the usability and added value of the Variable Resolution Community Earth System Model (VR-CESM) for climate investigations over the Euro-Mediterranean and it is the first work that employs VR-CESM for the region. The geographic location and complicated topography of Euro-Mediterranean leads to a regional climate governed by complex nonlinear interactions and cascade of feedbacks between multitude of scales, from global to local, and spatiotemporally highly varied climatic characteristics. Therefore, a modelling approach offering high resolution within a global context best fits to the regional climate investigations. Of particular concern, the region is a climate change hotspot bringing many projected climate related risks to the regional ecosystem and population which increases the need for better understanding the present-day climate and providing more realistic future projections. VR-CESM offers an alternative modeling approach across the global-to-regional model divide utilizing the Community Atmosphere Model's spectral element dynamical core (CAM-SE). It employs a global grid which is only refined over a limited area, thus substantially decreasing the computational demand while allowing global simulations with regional resolutions that are mostly unaffordable by uniform resolution GCMs. This technique can leverage today's parallel computing platforms almost to their fullest extent by offering near-perfect scalability. In this work, Euro-Mediterranean's climate is investigated at regional horizontal resolutions of 0.25° (28 km) and 0.125° (14 km) refined from a global resolution of 1° (111 km). An Atmospheric Model Intercomparison Project (AMIP) setup in which the atmosphere and land are the only active components is employed with out-of-the-box FHIST component set. All simulations are integrated over the period 1998-2014 and first two years are excluded from analyses considering the spin-up of the model. The performance of simulations is evaluated by comparison to a coarse resolution (quasi- uniform 1°) control simulation with an identical dynamics and similar physics against available observation-based datasets. Additionally, a parameter tuning experiment was conducted targeting top-of-the-model shortwave and longwave cloud forcings better matching the observations. The added value, as well as challenges, of VR-CESM and systemic biases associated with model resolution and/or sub-grid-scale parametrizations were identified and hypothesized. The improvements obtained are mainly related to a better representation of the complex topography of the region with higher resolution. Increasing the regional resolution to 0.25° generally yields considerable improvements over the quasi-uniform 1° control simulation, both for temperature and precipitation. Although doubling the regional resolution to 0.125° generally leads to modest improvements, pronounced ones are obtained in the representation of small-scale processes including that of extreme events. Model biases are addressed taking into account the model inherent ones and likely effects of the deficiencies in the reference data. Some persistent biases remain across all simulations and are discussed considering the mechanisms behind the related processes such as the synoptic scale moisture transport or land-atmosphere interactions. Variable resolution (VR) simulations represent the spatial variability of temperature with higher pattern correlations (between 0.97-0.99) than that for the control simulation, over the refined domain in all seasons. Increasing the resolution leads to apparent reductions in temperature biases. For instance, while 1° coarse resolution has large area-averaged surface temperature biases of 2.38, 1.82, 2.06, and 1.81°C for winter, spring, summer, and fall, respectively, the biases reduce to 1.38, 1.07, 1.67, and 1.13°C with 0.25° resolution. The total area with statistically significant biases in the control simulation, such as the warm biases exceeding 6°C over high mountains and coasts and cold biases over the southern regions exceeding 5°C locally, also decrease with VR simulations. Because precipitation is a process operating at multitude of scales and comprise strong spatiotemporal heterogeneity and that, dependency to convective parametrizations cannot be completely eliminated even at the highest resolution we used, simulation of precipitation is challenging, even more over complex topographies. Even though, spatial variability of precipitation is represented in better agreement with observations than the control simulation with pattern correlations between 0.91-0.95. Precipitation biases also reduce with increased resolution, especially in summer (i.e., from relative root-mean-square-error of 39.70, 29.49, 173.89, and 69.87%, respectively for winter, spring, summer, and fall for 1° to 34.63, 23.60, 133.07, and 50.28% for 0.25°). The improvements are more pronounced over regions with sharp topographical contrasts. For instance, the amplitudes of wet/dry biases over the windward/leeward sides of the high mountains and the dry biases over the coasts, which can exceed 2 mm/d, and precipitation bias contrast on the windward/leeward sides of high mountains, which can be as large as 7 mm/d for 1°, both reduce considerably with VR simulations. Also, the locations and expansions of upward air motions better coincide with the respective terrain upslopes and downslopes in VR simulations and orographically forced upward motions are strongest and most vertically expanded for the highest resolution. 0.125° performs the best in terms of daily maximum temperature extremes among all simulations except in fall (when it has a similar bias as in 0.25°). Both VR simulations outperform the quasi-uniform 1° one in summer and fall and 0.125° resolution simulation outperforms the 0.25° one in all seasons for extreme precipitation (e.g. biases for summer extreme precipitation for 1°, 0.25°, and 0.125° are 6.09, 5.36, 4.68 mm/d and 6.36, 5.63, 5.02 mm/d against CPC and E-OBS reference data, respectively). Overall, the results highlight that the VR-CESM is useful, even an attractive choice depending on the scientific purpose, for the present-day climate studies over Euro-Mediterranean and that the method can also be utilized for the future projections.
Benzer Tezler
- Güney Ege ve Batı Akdeniz bölgelerinde meydana gelen orman yangınlarının hava kalitesiyle olan ilişkisinin araştırılması
Investigation of the relationship between forest fires and air quality in the Southern Aegean and Western Mediterranean regions
CANSU AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRAH TUNCAY ÖZDEMİR
- Investigation of sediment dynamics in river delta coasts: Sakarya river delta
Akarsu delta kıyılarında sediment dinamiğinin incelenmesi: Sakarya nehri deltası
KEREM GÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CİHAN ŞAHİN
- İklim değişikliği endişesi, eko-anksiyete ve çevreci davranışın Türkiye bağlamında incelenmesi
Investigation of climate change worry, eco-anxiety and pro-environmental behavior in the Turkish context
GÜLSÜM BESTE BAĞRIYANIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
PsikolojiBaşkent ÜniversitesiPsikoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUĞBA UYAR SUİÇMEZ
- A comprehensive assessment on various impacts of climate change in Western Black Sea and Euphrates-Tigris basins, Turkey
Türkiye'nin Batı Karadeniz ve Dicle-Fırat havzalarında iklim değişikliğinin muhtelif tesirlerinin geniş kapsamlı değerlendirilmesi
MUSTAFA NURI BALOV
Doktora
İngilizce
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜSSELAM ALTUNKAYNAK
- Field investigation of deformation effects caused by triggering landslides by image analysis methods
Heyelanların tetiklenmesiyle meydana gelen deformasyon etkilerinin görüntü analizi yöntemleri ile sahada incelenmesi
BARIŞ URAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA KEREM KOÇKAR