Marmara Denizi'nde CFSR ve ERA ınterim rüzgarları ile çalıştırılan SWAN model performansları ve model sonuçlarının uzun dönemli farklılıkları

Abstract

Bu çalışmada, Marmara Denizi için yüksek çözünürlükte ve doğrulukta bir dalga tahmin modelinin geliştirilmesi ve bölgenin uzun dönemli rüzgar ve dalga karakteristiklerinin farklı açılardan analizinin gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Bu maksatla, öncelikle Marmara Denizi'ni kapsayan en son güncel re-analiz ürünleri olan CFSR ve ERA Interim rüzgar alanlarının Marmara Denizi özelinde kaliteleri, Marmara Denizi'nin kuzeyinde yer alan Silivri istasyonunun 2013 yılı ölçümleri ile test edilmiştir. Daha sonra, her iki rüzgar verisini girdi olarak kullanan üçüncü nesil bir dalga tahmin modeli olan SWAN modelin kalibrasyonu, özellikle modelin fiziksel sürecini etkileyen en duyarlı parametre olan köpüklenme formülleri ve bu formüllerdeki köpüklenme katsayısına odaklanılarak Silivri istasyonundaki 2013 yılı belirgin dalga yüksekliği ölçümlerine dayanarak yürütülmüştür. Geliştirilen modellerin doğrulanması, 1990 ve 2003 yıllarında ölçülmüş olan sırasıyla Marmara Ereğli ve Ambarlı istasyonu verileri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Marmara Denizi'nin yüzeysel dalgalarının benzeşimi, deniz şartlarını en iyi şekilde temsil edebilecek modellerin geliştirilmesinden sonra, her iki rüzgar verisini kullanan kalibre edilmiş ve varsayılan ayarlamalı SWAN modeller (toplamda 4 model) için 31 yıl boyunca ayrı ayrı gerçekleştirilmiş ve böylece, Marmara Denizi'nin uzun dönemli (1979- 2009) rüzgar ve dalga şartlarını içeren yüksek çözünürlüklü dört faklı veri seti türetilmiştir. Bu dört veri setinden, Marmara Denizi'nin tüm yüzeyi için, bazı dalga parametrelerinin ortalama ve maksimum şartları belirlenmiş ve dört farklı model sonuçları arasındaki farklılıklar tartışılmıştır. Sonuçta, CFSR rüzgarlarının Marmara Denizi özelinde ERA Interim rüzgarlarına kıyasla daha kaliteli olduğu ve CFSR rüzgar veri seti için rüzgar girdi formülasyonu için Komen ve köpüklenme için Cds=1,0 olarak ayarlanmış Janssen formülasyonunu ve ERA Interim rüzgar veri seti için ise rüzgar girdi formülasyonu için Komen ve köpüklenme için Cds=0,5e-5 olarak ayarlanmış Komen formülasyonunu kullanan modellerin en iyi performansa sahip oldukları sonucuna varılmıştır. CFSR rüzgarları kullanarak kalibre edilen SWAN modelinin, normal dalga şartlarını ve farklı tekerrürlü ekstrem dalgaları tahmin etmede diğer modellere göre önemli bir üstünlük gösterdiği tespit edilmiştir. CFSR rüzgarlarını kullanan kalibre edilmiş SWAN modelin, Marmara Denizi'nin büyük bir bölümünde diğer 3 modele göre dalga parametrelerini daha yüksek tahmin ettiği, yalnızca Marmara Denizi'nin kuzey doğu bölgesinde adalar civarında ve güney batı bölgesinde Çanakkale boğazına doğru adaların güney batısında kalan bölümlerinde ERA Interim rüzgarlarını kullanan kalibre edilmiş SWAN modele göre, daha düşük tahminlerde bulunduğu sonucuna varılmıştır.

The aim of this study is to develop a high resolution and high accuracy model to hindcast wave conditions in the Sea of Marmara, and to analyze long-term wind and wave characteristics of this area in different aspects. For this purpose, firstly qualities of the wind fields of CFSR and ERA Interim, which are the latest reanalyzed products involving the Sea of Marmara, are tested by comparing them with measurements performed in 2013 at the Silivri station which is in the north of the Sea of Marmara. Afterwards, calibration of the SWAN model, which is a third-generation wave prediction model forced with both wind data, is carried out on the basis of the wave height measurements at the Silivri station in 2013 especially by focusing on the whitecaping formulas, which are the most accurate parameters effecting the physical process of the model, and tuneable whitecaping parameters in these formulas. Verification of the developed models is carried out by using, respectively, the data of Marmara Ereğli and Ambarlı stations measured in 1990 and 2003. After the development of the models that represent the sea conditions best, the simulation of surface waves of the Sea of Marmara has been run separately for calibrated and default SWAN models forced with both of the wind data for 31 years. In this way, four different data sets containing long-term (1979 - 2009) wind and wave conditions of the Sea of Mamara are derived. From these four different data sets, average and maximum conditions of some wave parameters for the whole area of the Sea of Marmara are defined, and the differences between the results of the four different models are discussed. Finally, it is concluded that CFSR winds have better quality for the Sea of Marmara in comparison to ERA Interim winds. Besides, it is concluded that when forced with CFSR wind, the best setting was the Komen formulation for the wind growth and the Janssen whitecapping formulation with Cds=1,0 and when forced with ERA Interim winds, the best setting was the Komen formulation for wind growth and Komen whitecapping formulation with Cds=0,5e-5. It was identified that the calibrated SWAN model which uses CFSR winds give much better results compared to other models in predicting regular wave conditions and extreme waves for different return periods. It was concluded that in most parts of the Sea of Marmara, the calibrated SWAN model which uses CFSR winds gives higher results predicting wave parameters compared to other three models; and only in the northeast part around the islands and in the southwest towards the Dardanelles in the southwest of the islands the model gives lower results compared to the calibrated SWAN model which uses ERA Interim winds.