Comparison between hydrostatic and nonhydrostatic simulations of Turkish Strait System

Abstract

Türk Boğazlar Sistemi, Ege denizinin baseninden başlayarak Karadeniz'e ulaşırken Marmara denizini boğazlardan geçerek tamamlayan su yolununa verilen isimdir. Sistem denilmesinin sebebi ise, bu dinamik içerisinde bütün denizlerin, boğazların akışlarından oldukça etkilenmesinden dolayıdır. Karadeniz'in Marmara'ya ulaşmasında tek su köprüsü olarak görev yapan İstanbul Boğazi; rüzgar şiddetine, mevsimsel değişimlere, atmosfer basıncına ve Ege'den gelen suyun sıcaklık ve tuzluluğuna bağlı olarak akış debisi üzerindeki hacimsel farklılıklara sebep olan bu faktörlerden oldukça etkilenmektedir. Bunların sonucu olarak, Boğaz'ın Marmara'ya dökülen kısmında oluşan S şeklindeki yapıya jet adı verilir . Yön ve yoğunluğuna bağlı olarak Marmara'nin yüzeyindeki akıntı sistemini oluşturan bu jet, Ege'den ve Karadeniz'den gelen iki farklı özellikteki su kütlelerinin Boğazlar yoluyla Marmara'ya dökülmesiyle oluşan üçüncü bir su kütlesinin karışımını doğrudan etkileyen bir yapı olması sebebiyle oldukça önem arz etmedir. Bu sistem boyunca su yoğunluklarına bağlı olarak düşeyde açıkça görülen bir tabakalaşma mevcuttur.Bu çalışmada tabakalaşmalar Dardanel Boğazı içerisinde dört, Marmara denizi ve İstanbul Boğazı'nda üç adettir. Bu yoğunluk farklarının başlıca sebeplerinden biri Ege'den gelen tuzlu ve sıcak olan suyun yoğun olmasıdır. Bu yoğun su kütlesinin Marmara'daki alt tabakadan ilerleyip İstanbul Boğazı'na ulaşmasıyla dikey kesitlerde görülen ve yüzeyde tuzluluk seviyesinin genel itibariyle iyi karışmasından dolayı tuz derişimin düştüğü gözlenmiştir. Buna ek olarak alt tabakada yoğun konsantrasyonunda bir tuzlu su sıkışmasının neden olduğu tuz oluşturmaktadır. Karadeniz'in soğuk ve az tuzlu suyunun Ege'den gelen su ile karışmasıyla oluşan ve boğazdan Marmara dökülen jet, üç ayrı kola ayrıldığı ve bu kolların Marmara denizindeki yapıların üzerinde etkisi olduğu yüzey kesitlerinden görülmüştür. Jet'in boğaz çıkışında, batıya İzmit Körfezi'ne yönelen ilk kolu küçük bir girdap oluşturmuştur. İkinci kolu ise Marmara Denizi'nin Güneyine doğru yol aldıktan sonra, ortasında büyük girdap ile birleşerek oradaki sirkülasyonun hızına katkıda bulunduğu gözlemlenmiştir. Üçüncü kolu ise ikiye ayrılmıştır; Güneyden kıvrılıp Marmara'nın kuzeyine giden bu kol önce Marmara adalarının arasında geçerek ada etkisi adı altında birçok alt kola ayrılarak Çanakkale Boğazına yönelmişlerdir, diğeri ise Kuzeye yönelerek Marmara adası ile Marmara Denizi'nin kuzeyindeki dar ve sığ şelf kısmında küçük ve güçlü bir girdap meydana getirmiştir. Bu çalışmada bu anlatılan etkilerin yüzeydeki ve derindeki etkisini gösteren bir okyanus modeline sahip olan MITgcm, TSS'nün bilinen üç boyutlu hidrostatik yaklaşımla yapılan modellerine ek olarak hidrostatik olmayan modellerinin de kullanılmasını sağlaması yönüyle diğerlerinden ayrılmaktadır. Bunlardan üç boyuttaki hidrostatik model olanı, Sannino et al. (2017) tarafından kullanılmıştır ve genel anlamda bizim hidrostatik olan modelimizin temelini oluşturmakla birlikte, arada farklılıklar da mevcuttur. Bunlardan ilki onların Karadeniz, Marmara ve Ege arasında olan düşeydeki farklılıkları gerçekle uyumlu yapmak adına akış hacminde Karadeniz'de artış, Ege'de azaltma etkisiyle oluşturmuşlarken bizde bütün denizler aynı yükseltide bulunmaktadır. Bir diğeri ise, çeşitli akış hızları etkisi altında Marmara'daki sirkülasyanın ve oluşan yapıların değişimlerine ve olası nedenlerine bakmışlardır. Bu çalışmada ise, Sannino et al. (2017) aynı parametereler ile hem hidrostatik hem de hidrostatik olmayan iki model için 33 günlük simülasyona tabi tutulmuştur.Navier Stokes denklemlerine çeşitli yaklaşımlar yapılmış olan hidrostatik modelden farklı olarak, hidrostatik olmayan modelde, düşeydeki hızın etkisi de göz önüne alınmaktadir ve daha küçük ölçekli yapıların gözlemlenmesi ile karışımın etkisinin artmasıyla yapılar hakkında daha ayrıntılı bir gözlem sağlanması amaçlanmıştır. Aradaki bu farkın ortaya çıkarılması açısından bu çalışma önem arz etmektedir. Hidrostatik olmayan modelden hidrostatik yaklaşımla elde edilmiş modeli çıkartarak bulduğumuz sonuçlara bakıldığında, hem yüzeydeki değişimleri ortaya çıkaran yüzey figürleri hem de düşeyde derinlikle olan değişimini görebildiğimiz dikey kesitlerde, yüzeye yakın kısımlarda az da olsa değişimlerin olduğunu gözlemlenmiştir. Buna ek olarak, Karadeniz'den gelen ve boğazdan akarak Ege'ye ulaşan bu soğuk ara tabakasının çevresinde düşeydeki karşımın artmasıyla değişimlere de olduğu da bulgular arasındadır. Bu çalışmadaki hidrostatik olan kısmın sonuçları Sannino et al. (2017) ile paralellik göstermektedir ve hidrostatik olmayan model arasındaki farklılıkları ortaya çıkarmak için yapılmış basit bir çalışmadır, Türk Boğazlar Sisteminin karmaşık dinamiğini ortaya koymaya çalışmamaktadır.Sannino et al. (2017) oluşturdukları modelde Denizlere ait başlangıç koşullarını, Yaz döneminde yapmış oldukları CTD ölçümlerini baz alarak oluşturmuşlardır. Bu modele göre Karadeniz suyunun başlangıç koşulunda yeterince soğuk olarak verilmemesinden dolayı Denizlerdeki yüzey suları olması gereken sıcaklıklara ulaşamamakla birlikte kısa süreli simülasyonlarda gerçekçi sonuçlara ulaşamadığı görülmüştür. TSS'ye ait çalışmalar öncelikle Boğazların katkısının hidrolik olarak nasıl bir kontrol mekanizmasina sahip olduğunun anlaşılması için Boğaziçi'nde başlamıştır. Sistem olarak ele alınan modellerinn yapılması önce Boğaziçi'nın 2 boyut için hem hidrostatik hem de hidrostatik olmayan modellerle elde edilen çalışmalardan sonra 3 boyuttaki hidrostatik modellerle Boğaz'ın dinamiğin daha iyi anlaşılması amaçlanmıştır. Sonrasında hidrostatik olmayan modellerin de kullanılması TSS'nin sistem olarak ele alınmasının önemini dikeydeki ivmelenmeyi de katmasıyla ortaya çıkarmıştır. Bu yüzden bundan sonraki çalışmalar için daha ayrıntılı modeller hazırlanarak hidrostatik olmayan modeller üzerindeki farkın belirgin şekilde ortaya çıkması muhtemel gözükmektedir. Bu dinamik içerisinde özellikle Marmara'nın tampon bölge olarak işlevini sürdürmesinin yanında ekonomik ve biyolojik çeşitlilik açısından da çok büyük önem arz ettiğini bilinmektedir. Karadeniz'in yağmur alması, çeşitli nehirlerin debisini akıtması ve zaman zaman ısı etkisi ile buharlaşmasının dengesini bulabilmesi için kanal yolu ile Marmara'ya boşalması bu dinamiği oluşturan parçaların Marmara'ya doğrudan bir katkısı olduğu yapılan çalışmalar doğrultusunda bilinmektedir. Marmara'nın, Türkiye'nin %25 ini de beslediğini göz önüne alırsak önemli bir ekonomik etken olması bu bölgenin dinamiğinin ayrıntılı incelenmesinin ve daha fazla fikir sahibi olabilmek için çeşitli modeller ile davranışını sistem içinde anlaşılması anlatılan nedenlerden ötürü hem Türkiye için hem de çevre denizlerini dolaylı yoldan etkileyebilmesi sebebiyle kıyısı olan diğer ülkeleri de etkilemektedir.

Turkish Strait System (TSS) consists of Dardanelle Strait, Marmara Sea and Bosporus Strait is a coupled system where the fully coupled effects are significantly different than three individual members of the system. Due to the deep inflow from Mediterranean Sea and also outflow of the Black Sea, Marmara Sea acts like a buffer zone of these two important water masses. In addition, the Marmara Sea has its own separate temperature and salinity water characteristics that is resulted in significantly different stratified layers than the neighbor seas.The more saline (38 psu) and warmer (26⁰C) waters from the Mediterranean Sea mixes with colder (22⁰C) and less saline (18 psu) Black Sea water in the Marmara Sea and creates cold intermediate layer (CIL) which is highly effected from surface fluxes that will change its thickness and depth from the surface. We employ a 3D hydrostatic and non-hydrostatic ocean general circulation model in this study. The hydrostatic simulation is carried out from Sanino et al, 2017, where they investigate the impact of volume fluxes on the TSS circulation. The initial conditions for the three different Seas are based on the measurements that are taken from the CTD's during the summer season. This initiliazed warm upper surface waters along basins, couldn't reach to climatological cold surface water of Black Sea without heat fluxes like in the other months of the year. Surface waters, summer time is the special case, are colder in general. (According to the SHOD(2009), Month of February Dardanelle Strait has temperature down to 8.6⁰C; and in the Bosprous Strait it is 4.5⁰C) On the other hand, boundary condition of the Aegean side of the domain, a problem seems to exist due to mesoscale eddies created and trapped because of the closed boundary conditions. However, we believe that this will not affect the Marmara basin because of short integration time length. Our aim to understand the performance of non-hydrostatic terms in mixing of exchange flows in TSS. In our control simulation, we find that there are four different layers in the temperature field in the Dardanelle Strait whereas in the Bosporus Strait, there are 3 layers seen as a result of density differences of two water distinct sources (Black Sea and Eagean Sea). In the salinity field of the Bosporus Strait, vertical mixing effect is observed close to the surface waters in which salinity concentration is decreased. The interfacial layer between surface and deep layers is also increasing in thickness towards the Bosporus Strait.Circulation in the Marmara Sea is effected dominantly from jet flux issued to the Sea of Marmara from Bosporus. Jet has three branches which splits into firstly to the west side of the Bosporus Strait, opening of the Izmit Bay, secondly to southern boundary of the Marmara Sea by bending and converging with the big gyre in the middle and lastly to the North. This Northern branch also splits into two; one which directly flows trough the northern side of the Marmara Island and combined with small scale eddy by increasing its circulation speed and the other branch is shooting into the Marmara islands. This extended part of the jet also splits into many branches and flows into the entrance to the Dardanelle Strait. In our non-hydrostatic simulation, we find that the differences between two simulations are minor in the deep at this resolution. Surprisingly, the largest differences are close to the surface in terms of circulation and mesoscale eddy processes. The main reason behind this difference is resolving the evolution of vorticity using the full 3D vertical acceleration term in the non-hydrostatic simulation.