Atmospheric circulation types in Marmara Region (nw turkey) and their influence on precipitation

Abstract

Marmara Bölgesi, Anadolu'nun kuzeybatı ucunda ve Balkanlar'ın güneydoğu kısmında yer alan; Marmara Denizi, Boğaziçi ve Gelibolu Boğazlarıyla ayrılan iki yarımadadan oluşmaktadır. Asya ve Avrupa kıtalarında konumlanan bu bölge, Türkiye'nin endüstriyel ve tarımsal anlamda en gelişmiş ve nüfusun en yoğun olduğu bölgesidir. Nüfus yoğunluğu bölgede km2'ye 300 kişi olup, bu rakam İstanbul'da 2500'e çıkmaktadır. Ekonomik gelişimine paralel olarak, bölge Türkiye'nin diğer kesimlerinden göç almaya devam etmektedir. Süregelen bu göç su talebini arttırmakla beraber, su havzasındaki kontrolsüz yapılaşmaya sebep olarak mevcut su kaynaklarını da tehdit etmektedir. Böylece, yağış miktarı ve rejimi sınırlı olan su kaynaklarının yönetiminde önemli rol oynamaktadır. Büyük ölçekteki atmosferik sirkülasyon patenleri ve sinoptik paternler bölgenin iklimini belirlemede önemli rol oynarlar. İlk olarak, Marmara Bölgesi'nin sinoptik özelliklerini belirlemek için, sirkülasyon tipleri ve onların uzun dönemli ortalama sıklıkları ile yağış arasındaki ilişkiler incelendi. Sirkülasyon tiplerini belirlemek için, Otomatik Lamb Hava Tipleri sınıflandırma metodu NCEP/NCAR'in günlük ortalama deniz seviyesi basıncı bilgilerine uygulandı. Deniz seviyesi basınç anomali değerleri sonucunda, başlıca 10 sirkülasyon paterni subjektif olarak üç gruba ayrıldı. Bu gruplar; Kategori I (NE ve E), Kategori II (SW, S, SE) ve Kategori III (W, NW, N) olmakla beraber, bunların dışında kalan 2 paterni de siklonik (C) ve antisiklonik (A) hava tipleri oluşturmaktadır. Kategori I hava tiplerinde, Doğu Avrupa üzerinde yüksek basınç anomalisi mevcuttur. Bunun sonucunda paternler Marmara Bölgesi üzerine kuzeydoğulu ve doğulu olarak gelmektedir. Bütün bir yıl boyunca Marmara Bölgesi üzerinde etkin olan hava tiplerini oluşturmaktadır. Kategori II' de ise İtalya üzerinde alçak basınç merkezi bulunmakta ve sıklıkla kış aylarında görülmektedir. Kategori III paternlerinde ise Karadeniz üzerinde alçak basınç merkezi bulunmakta, bunun neticesinde bölgemiz üzerine batılı, kuzeybatılı ve kuzeyli akışlar gelmektedir. Siklonik hava tiplerinde Marmara üzerinde alçak basınç merkezi bulunurken, Antisiklonik sirkülasyonda ise yüksek basınç merkezi bulunmaktadır.Yıllık bazda ve bölgede yılın en yağışlı mevsimi olan kışın (Aralık, Ocak ve Şubat), kuzeydoğulu ve doğulu hava tipleri bölgede en sık rastlanan hava tipleri oldular. En fazla yağış yapma potansiyeline sahip sirkülasyon tipleri başlıca siklonik ve kuzeyli tiplerdir, halbuki bu tipler en az sıklıkla rastlananlar arasında olduğundan bölgede egemen olan yağış mekanizması değildir. Bunların yerine, daha az yağış yapma potansiyeline sahip olan fakat daha sıklıkla görülen kuzeydoğu ve doğulu akışlar yağış miktarlarının büyük kısmını oluştururlar. Bu ilişki, Marmara Bölgesi'nin kuzeyinde bulunun Karadeniz'den gelen kuzeyli ve doğulu akışlardan önemli miktarda yağış aldığını gösterip, Karadeniz'in bölgenin yağış rejimindeki etkisini göstermektedir. Diğer yandan, Karadeniz'e coğrafi olarak uzakta bulunan veya kuzeydoğulu akışlardan daha az etkilenen istasyonlarda (özellikle bölgenin bati kesimindekilerde), yağışlar daha çok güneyli akışlarda meydana gelmektedir. Marmara Bölgesi'ni etkileyen sirkülasyon tipleri ve vuku bulan yağış arasındaki ilişkiye ek olarak, uzak etkileşim paternlerin (teleconnection) sirkülasyon tipleri ve yağış mekanizmaları üzerindeki etkileri incelendi. Bu amaçla, beş başlıca uzak etkileşim indeks değerleri kullanıldı. Bunlar Kuzey Atlantik Salınımı, Arktik Salınım, Doğu Atlantik, Doğu Atlantik-Batı Rusya ve İskandinavya paternleri. Uzak etkileşimler arasında Doğu Atlantik-Batı Rusya uzak etkileşimi kış aylarındaki sirkülasyon tiplerini en fazla etkileyenidir. Bu etkileşim ile sırasıyla kuzeydoğulu ve kuzeybatılı sirkülasyon tipleri arasında pozitif, güneybatı ve siklonik sirkülasyon tipleri arasında negatif ilişkiler istatistiksel olarak anlamlı bulunmuştur. Bölgedeki sirkülasyon tiplerini kışın etkileyen ikinci uzak etkileşim örüntüsü Arktik Salınımdır. Arktik Salınım da Doğu Avrupa-Batı Rusya uzak etkileşimi gibi kuzeydoğu, güneybatı ve siklonik sirkülasyon tiplerini etkilemektedir. İlginçtir ki, uzak etkileşimler arasında Türkiye'ye kışın etkisi en fazla inceleneni olan Kuzey Atlantik Salınımı kışın Marmara Bölge'sindeki sirkülasyon tiplerinin sıklığına etkisi genellikle zayıf ve önemsizdir. Bu sonuçlara ek olarak, kış mevsiminde özellikle kuzeydoğulu paternlerin (NE) sayısında önemli bir azalma görülmekle beraber, günlük yağış miktarlarında artış eğilimi göze çarpmaktadır. Bunun nedeni araştırıldığında, kuzeydoğulu hava tiplerinin hakim olduğu kış aylarında, günlük yağış miktarındaki artışın başlıca nedeni olarak, Doğu Avrupa'da bulunmakta olan yüksek basınç merkezine ek olarak, Kıbrıs üzerinde alçak basınç merkezi bulunmakta ve bu durum neticesinde fazla miktarda nem Karadeniz üzerinden bölgemize transfer edilmektedir. Ayrıca, Karadeniz üzerindeki deniz suyu sıcaklığınında ortalamadan 0.6 °C fazla olması atmosferdeki nem içeriğini artırmaktadır. Su kaynakları yönetiminde, belirli havzalardaki yağış miktarları büyük öneme haizdirler. Bu yüzden, sirkülasyon tiplerinin Marmara'nın alt bölgelerinde yağış oluşturma sıklığı ve yağış şiddetleri sayısal olarak incelenmiştir. Bu incelemede, Ward'in hiyerarşik kümeleme tekniği 1960-2012 arası kış mevsimi 19 meteoroloji istasyonu günlük yağış miktarlarına uygulanarak; Marmara Bölgesi kendi içinde benzer özelikler gösteren bes alt bölgeye ayrılmıştır. Bu bölgeler: Karadeniz-Marmara alt bölgesi, Karadeniz alt bölgesi, Marmara alt bölgesi, Trakya alt bölgesi ve Ege alt bölgesi. Karadeniz-Marmara alt bölgesini Kireçburnu, Kumköy, Şile ve Çınarcık istasyonları oluşturmaktadır. Kocaeli ve Sakarya istasyonları ise Karadeniz özelliği göstermektedir. Daha çok Marmara iklimini oluşturan istasyonlar Bursa, Yalova, Keles, Bandırma ve Florya' dır. Edirne, Kırklareli, Lüleburgaz, Çorlu ve Tekirdağ daha çok Trakya bölgesi özelliği sergilerken, Çanakkale, İpsala ve Malkara istasyonları ise Ege alt bölgesini oluşturmaktadır.Yağış sıklıkları incelendiğinde, yağışlı sirkülasyon tipleri (kuzey, kuzeydoğu, kuzeybatı ve siklonik) bütün alt bölgelerde daha fazla yağış yapma olasılığına sahiptir. Marmara'nın doğu kesimleri, doğulu atmosferik sirkülasyon tipinde daha fazla yağış sıklığı görülürken; batı kesimlerinde ise güneydoğu, güney ve güneybatılı sirkülasyon tipleri etkisindeyken daha fazla yağış olması ihtimali görülmektedir. Kuzey ve siklonik sirkülasyon tipleri bölgenin tümünde diğer paternlerden daha şiddetli yağışlara sebep olmaktadır. Siklonik tiplerin %37'sinde günlük yağış miktarının 9 mm' den fazla olduğu Trakya ve Ege alt bölgelerinde görülmüştür ve bu durum da bu alt bölgelerin sel ve su baskını olaylarına duyarlılığını göstermektedir. Buna ek olarak, Marmara ve Karadeniz alt bölgelerinde maksimum günlük yağış potansiyelleri kuzeydoğulu tiplerde gözlemlenirken, yüksek günlük yağış miktarları Karadeniz alt bölgesi haricinde diğer alt bölgelerde kuzeydoğulu tipte görüldü.

The Marmara Region comprises the northwestern end of Anatolia and the southeastern end of the Balkans: two peninsulas separated by Dardaneles and Bosphorus straits, and the Sea of Marmara. Located on two continents, Asia and Europe, this unique area is the most industrialized, agriculturally developed and populated geographical division in Turkey with a population density of up to 2500 people per km2 in Istanbul, averaging 300 people per km2 regionally. Parallel to its economic development, the region continues to draw migration from other regions in Turkey. This leads to an ever increasing demand for water, while threatening the existing water resources in the form of new and uncontrolled building activity over water reservoirs. Thus, amount and variability of precipitation play a key role in the management of limited water supply.Large-scale circulation patterns and synoptic patterns play significant role in determining the precipitation climate of the region. For the first time, in order to reveal the synoptic properties of the Marmara, circulation types, their long-term mean occurrence frequencies and relationships with precipitation are investigated. Automated Lamb Weather Types classification method is applied on NCEP/NCAR daily mean sea level pressure data to determine circulation types. Northeasterly (NE) and easterly (E) types are found to be the most frequent both on the annual basis and during winter (DJF, the wettest season in the region). Circulation types with the highest rainfall potential, namely the cyclonic (C) and northerly (N), are among the least frequent; therefore they are not the dominant `rainfall modes`. Instead, NE and E have the greatest contribution to the regionally averaged rainfall amount, although they do not have the highest potential to create precipitation. This shows that Marmara Region receives a substantial amount of precipitation from northerly and easterly maritime trajectories, implying a profound influence of the Black Sea on the rainfall regime in this area. However, rainfall at the stations that are far away or less affected by the Black Sea (especially at the ones in the west) occurs during types with a southerly component (S, SW and SE). In addition to the relationship between CTs and precipitation in Marmara, the significant roles of the teleconnection patterns (TPs) on CTs and precipitation mechanism were also investigated. For this purpose, five main TPs, namely North Atlantic Oscillation (NAO), Arctic Oscillation (AO), East Atlantic (EA), East Atlantic-West Russia (EAWR) and Scandinavian (SCA) patterns index values were used. EA/WR is the most influential pattern in the occurrence of CTs during winter, exhibiting positive significant (at 99% level) correlations with NE and NW; and negative ones with SW and C. the strongest association of EA/WR is with NE and NW; and negative ones with SW and C. The second most influential teleconnection pattern on the CTs of Marmara Region during DJF is the AO, whose relationship with the occurrence of NE, SW and C is in the same fashion with EA/WR. Surprisingly, the NAO, whose wintertime impact on Turkey is the most studied and documented among all teleconnection patterns; has generally weak and insignificant influence on the occurrence of CTs in Marmara Region in DJF.In water management strategies, the amount of precipitation in particular basin has a great importance. Therefore, which CTs quantitatively cause precipitation occurrence and intensity in the sub-basins of the Marmara were investigated. By applying Ward's hierarchical cluster analysis, Marmara were divided into five coherent zones, namely Black Sea-Marmara, Black Sea, Marmara, Thrace and Aegean sub-regions. Precipitation occurrence suggested that wet CTs (i.e. N, NE, NW, and C) offer a high chance of precipitation in all sub-regions. For the eastern (western) part of the region, the high probability of rainfall occurrence is shown under the influence of E (SE, S, SW) atmospheric CTs. In terms of precipitation intensity, N and C CTs had the highest positive gradients in all sub-basins of the Marmara. In addition, although Marmara and Black Sea sub-regions have the highest daily rainfall potential during NE types, high daily rainfall totals are recorded in all sub-regions except Black Sea during NW types.