Trajectories of cyclones affecting Turkey: NCEP 2 versus ERA-Interim

Abstract

Siklonlar, orta enlemlerin birçok yerinde her gün hava ko¸sullarını kontrol edenatmosferik sistemlerdir. Siklonların yogunlu ˘ gu, frekansı veya konumundaki herhangi ˘bir sistematik degi¸siklik, yerel iklim üzerinde geni¸s kapsamlı bir etkiye sahiptir. ˘Siklonlar dogdukları zaman geli¸smeleri ve sönümlenmeleri biraz zaman alır. Yani, bir ˘hafta kadar uzun bir süre dayanabilirler. Polar cephe teorisinden bilindigi gibi, güçlü ˘bir yatay sıcaklık gradyanı, Polar hücresindeki soguk havanın ve Ferrel hücresindeki ˘sıcak havanın birbirine dogru hareket eder ve bu hareket bir geçi¸s bölgesini olu¸sturur. ˘Yukarı atmosferde uygun bir ortam varsa, basınç yüzeyde dü¸serek bir alçak basınçmerkezi olu¸sturmaya ba¸slar, böylece siklojenez ba¸slar. Soguk hava güneye ve sıcak ˘hava kuzeye dogru hareket ederek cepheleri olu¸sturur. Sistem do ˘ guya do ˘ gru hareket ˘ederken, merkezi basınç dü¸smeye devam eder ve soguk cephe sıcak cepheye yakla¸sır. ˘Nihayetinde, soguk cephe, sıcak cephenin yüzey ile ba ˘ glantısını keser ve sıcak ˘cephenin önündeki serin havanın altına girerek oklüzyon cephesini olu¸sturur. Buolgun sistem geni¸s bir alanı kaplar ve genellikle oklüzyon a¸samasında ¸siddetli havaolayları meydana gelir. Akdeniz Havzası'nın büyük sıcak yüzeyli denizi, siklojenezive siklonların geli¸simine büyük bir katkı saglar. Bu siklonlar ya ˘ gmur ve karı, kar ˘fırtınası ve oraj haline getirebilir. Örnegin, uzun süren bir kar fırtınası 22 Ocak 2004'te ˘Türkiye'yi vurdu ve 25 Ocak'a kadar sürdü. Çok sayıda araba kazası oldu, elektriklerkesildi ve Bogaz Köprüsü'nün halatlarından birisi koptu. Kısaca, hayat ˘ ˙ Istanbulve çevresindeki ¸sehirlerde birkaç günlügüne durdu. Bu projenin amaçı, Türkiye'yi ˘etkileyen siklonların yörüngelerini iki farklı veri setinden belirlemektir.Siklonlar Melbourne Üniversitesi tarafından geli¸stirilen otomatik siklon izlemeyazılımı ile 38 yıllık (1979- 2016) 6 saatlik 2.5 x 2.5 NCEP Reanalysis 2 ve 1.0 x1.0 ERA-Interim ortalama deniz seviyesi basınç yüzeyi kullanılarak 15◦ W - 60◦ Eve 20◦ N - 60◦ N arasındaki alan için yürütülmektedir. ˙ Ilk olarak, bicubic splineinterpolasyon ile enlemler ve boylamlar 101 x 101 polar stereografik projeksiyonadönü¸sürülmü¸stür. ERA-Interim basınç yüzyeni yüksek çözünürlüklü oldugu için ˘yumu¸satma uygulanmı¸stır. Yumu¸satma NCEP 2 basınç yüzeyi dü¸sük çözünürlüge ˘sahip oldugu için tercih edilmemi¸stir. Alçak merkezleri bulmak için, çevredeki sekiz ˘grid içerisinde nispi siklonik jeostrofik vortisitinin (x) maksimum oldugu yer arandır. ˘Eger belirli bir yarıçap ( ˘ diflt1)içinde bir kapalı depresyon bulumaz ise izin verilenuzaklıkta (diflt2) minimum basınç gradyanı aranır. ERA-Interim veri yumu¸satıldıgı ˘için diflt1 parametresine ihtiyaç duyulmamı¸stır. Siklonlar bulunduktan sonra bazıgüç kriterleri belirlenerek güçlü siklonların seçilmesi saglanır. Her siklon do ˘ gdu ˘ gu ˘andan sönümlendigi ana kadar takip edilir. Takip i¸slemi üç adımda gerçekle¸smi¸stir. ˘˙ Ilk olarak, bir zaman adımı ilerideki alçak basıncın pozisyonu tahmin edilir. Bupozisyonu bulmak için tahmin hızı (upred) hesaplandı. Pozisyonlar upred kullanılarak tahmin edildi. ˙ Ikinci olarak, tahmin edilen ve gerçek olan siklon arasında olabilcekili¸skinin olasıgılı hesaplandı. Son olarak, olma olasılı ˘ gı yüksek olan aday siklon bir, ˘zaman adımı önceki siklon ile birle¸stirilmek için seçildi.Sonuçlar Türkiye'yi etkileyen siklonların agırlıklı olarak batılı olduklarını ve kı¸s ˘mevsiminde daha güneyli bir yörünge izlediklerini ancak yaza dogru yörüngelerinin ˘kuzeye kaydıgını ortaya koymu¸stur. Türkiye'yi etkileyen siklonlar genellikle Cenova ˘Körfezi, kuzey ˙ Italya, Ege Denizi, Karadeniz, Kıbrıs ve Sahra bölgesinde olu¸sur¸slar.Fakat, bunlar mevsimden mevsime degi¸siklik gösterirler. Cenova Körfezi ve Kuzey ˘˙ Italya bölgelerinde olu¸san siklonlar her mevsim için büyük rol oynar. Türkiye kı¸sın,Cenova Körfezi ve Kuzey ˙ Italya dı¸sında, Ege ve Karadeniz siklonlarından da etkilenir.Bahar mevsimindeki siklojenez bölgeleri Sahra, Kıbrıs, Ege Denizi ve Karadeniz'dir.Kı¸s siklonları hareket ederken, yaz siklonları daha sabittir. Kıbrıs, Sahra ve Karadenizsiklonları yaz mevsimlerinde baskındır. Sonbahar mevsimlerinde, Sahra, Kıbrıs veKaradeniz'in siklonları belirgindir.NCEP2 ve ERA-Interim'in sonuçları genellikle benzerdir, ancak aralarında birkaçfarklılık vardır. NCEP2 sonuçlarında ERA-Interim'e göre yakla¸sık %31 daha fazlayörünge vardır. Kuzey Afrika'da bütün mevsimlerde ERA-Interim sonuçlarındaNCEP2'ye göre daha çok yörünge vardır. ˙ Ilkbahar, yaz ve sonbahar mevsimlerindeERA-Interim verisine göre Suriye, Irak ve Basra Körfezi'nde daha az yörüngebulunurken, NCEP2 verisi sonuçlarına göre bu bölgelerde daha fazla yörüngebulunmaktadır. Siklonların ortalama merkez basıncı ERA-Interim için 1010 hPa,NCEP2 için 1009 hPa civarındadır. Ortalama siklon ¸siddeti ERA-Interim için 0.68hPa(◦enlem)−2 iken NCEP2 verisi için 0.53 hPa(◦enlem)−2 olarak elde edilmi¸stir.Ayrıca siklonların ortalama yarıçapı ERA-Interim verisi için 4.10 ◦enlem ve NCEP2verisi için 4.08 ◦enlem olarak bulunmuştur.

Cyclones are low pressure atmospheric systems that control weather conditions everyday in many places of mid-latitudes. Any systematic change in the density, frequencyor location of cyclones has a wide range of influence on the local climate. Whenthey arise it takes time to evolve and become a mature cyclone and fade away after acyclone exists. So, lifetime of a cyclone is about a week or so. As it is known from thepolar front theory, this strong horizontal temperature gradient results from the cold airfrom the Polar cell and the warm air from Ferrel cell moving towards each other andthis movement develops a transition zone. If there is a convenient environment in theupper atmosphere, the pressure begins to drop, developing a low center at the surface,so cyclogenesis starts. The cold air moves to south and starts to rotate around warmair, forming a cold front, and the warm air moves north into the cold air, developing awarm front. While the system moves to the east, the central pressure keeps reducingand the cold front approaches to the warm front. Ultimately, the cold front cuts off theconnection between the warm front and surface and goes under the cooler air ahead ofthe warm front, thus occluded front forms. This mature system covers a large area andvigorous weather events generally occur in the occlusion stage. The huge warm seasurface of the Mediterranean Basin immensely triggers cyclogenesis and evolutions ofthe cyclones. These cyclones can bring rain and snow in the form of flooding, snowstorms and severe thunderstorm with hail. For instance, a long-running snowstormhit Turkey on January 22nd, 2004 and it lasted until January 25nd. There were a lotof accidents, the power outage, and one of the rope of Bosphorus Bridge was broken.Shortly, life stopped in ˙ Istanbul and nearby cities for a few days. Purpose of this thesisis to identify the trajectories of cyclones affecting Turkey from two different reanalysisdata sets.Detection of cyclone is achieved by The University of Melbourne automatic cyclonetracking scheme (CTS) using 6 hourly NCEP Reanalysis 2 and ERA-Interim mean sealevel pressure field respectively at 2.5 x 2.5 and 1.0 x 1.0 spatial resolution for a regionbetween 15◦W - 60◦E and 20◦N - 60◦N for 38 years (1979 - 2016). The first step isto transform latitude and longitude data into 101 x 101 polar stereographic (PS) arrayvia bicubic spline interpolation. Smoothing is applied to ERA-Interim pressure field,however it is not preferred for NCEP 2 data because of its low spatial resolution. Thelocal maxima of relative cyclonic geostrophic vorticity (x) value via the Laplacian ofpressure is sought through comparing each grid point with surrounding eight gridpoints. If there is no closed depression reasonable distance (diflt1), scanning forminimum pressure gradient begins to find an open depression in closest allowablespace (diflt2). There is no need to integrate the diflt1 parameter to ERA-Interim caseafter smoothing. Each cyclone is followed from the first moment of its formation to its perish. This procedure involves three steps. First one is estimating the subsequentpositions of the centres. Second is looking for probability of a relations between theestimated position and the current position. The subsequent positions are predictedvia prediction velocity (upred). Positions were estimated using upred. Final step ischoosing most probable candidate for matching.Thus, this study shows that the most of the cyclones affecting Turkey are generallywesterly and they follow a southerly trajectory in winter, however their trajectoryshifts northward towards summer. Cyclones affecting Turkey generally originate inGulf of Genoa, northern Italy, and the Black Sea, but there are other regions suchas the Aegean Sea, Cyprus, and Sahara. However, some changes are seen season toseason. Gulf of Genoa and northern Italy regions play major role for all seasons. Inwinter seasons, Turkey is also affected by southern Italy, the Aegean Sea and the BlackSea cyclones other than Gulf of Genoa and northern Italy cyclones. Sahara, Cyprus,the Aegean Sea, and the Black Sea are cyclogenesis regions in spring seasons. Whilewinter cyclones traverse, summer cyclones are more stationary. Cyclones of Cyprusand the Black Sea have high intensity in summer season. In autumn seasons, cyclonesof Sahara, Cyprus, and the Black Sea become pronounced.The results of NCEP2 and ERA-Interim are generally similar, however there areseveral differences between them. There are approximately 31% more tracks in theresult of NCEP2 than ERA-Interim. In all seasons, there are more tracks in NorthAfrica in ERA-Interim results than NCEP2. While there is a few tracks around Syria,Iraq, and Persian Gulf in ERA-Interim results, NCEP2 results has more tracks thanERA-Interim in these regions in the spring, summer, and autumn seasons. The averagecentral pressure of cyclones is around 1010 hPa for ERA-Interim and 1009 hPa forNCEP2. While the mean cyclone intesity is 0.68 hPa(◦lat)−2 for ERA-Interim, it isobtained to be 0.53 hPa(◦lat)−2 for NCEP2. Also, the mean radius of the cyclones isaround 4.10 ◦lat for ERA-Interim and it is found to be 4.08 ◦lat for NCEP2.