A numerical investigation of meso-scale flow and air pollutant transport patterns over the region of Istanbul

Abstract

Atmosferik hareket, birkaç milimetre'den birkaç kilometere'ye kadar geniş bir ölçek aralığından etkilenir. Bu nedenle, atmosferik akışın bu ölçeklerdeki davranışını anlamak oldukça önemlidir. Bütün bu ölçeklerin kirletici taşınım ve yayılımında önemli rolü olmasına rağmen, mezo-ölçek atmosferik işlemler, kirleticilerin kısa ve uzun mesafeli taşınım ve yayılımı için taşınma zamanı ve mesafesi üzerindeki rolü bakımından önemlidir. Termal ve topoğrafya etkisi ile oluşan sirkülasyonlar, topoğrafya karakteristikleri ve homojen olmayan yüzeyler yardımı ile kirleticilerin taşınım ve yayılımına katkıda bulunur. Bunların yanısıra, artan şehirleşme de mezo ölçek dolaşım karakteristiklerini değiştirmektedir. Lokal ölçekteki dolaşımların diğer ölçeklerdeki hareketlere tepkisi ya da onlarla olan etkileşimi, mezo-ölçek dolaşımların kirletici taşınım karakteristiklerini etkiler. Bu nedenle, küçük ölçek akışların oluşum ve gelişimi ve küçük ölçek hareketlerin büyük ölçek haraketlerle ekileşimini anlamak gerekmektedir.Bu çalışmada, kara-deniz meltemi, şehir ısı adası gibi mezo-ölçek dolaşımlar incelenmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, İstanbul'da şehirleşmenin istatistiksel ve sayısal olarak incelenmesi üzerinde durulmuştur. Mann-Kendall trend testi, İstanbul'daki trendin olumasını ve önemini ve ani trend değişikliğinin başlamasını belirlemek için, şehir, banliyö ve kırsal alanlardaki gözlem istasyonlarının minimum sıcaklık verilerine uygulanmıştır. Bununla birlikte, sınırlı alan, hidrostatik olmayan ve topoğrafyayı takip eden koordinatları kullanan, bir mezo-ölçek atmosfer model olan MM5'da modelleme analizlerinde kullanılmıştır. Mann-Kendall istatistik testi şehir ve kırsal alanlar arasındaki minimum sıcaklıklarda istatistiksel olarak anlamlı pozitif bir trendin olduğu gözlenmiştir. Mevsimsel analizler ise, şehirleşmenin yaz aylarında hakim olduğunu göstermiştir. Artan nüfus ile birlikte trenddeki ani değişikliklerin 1970 ve 1980'li yıllarda meydana geldiği tespit edilmiştir. Model çalışmaları ise, İstanbul'un genişleyen şehir sınırları ile birlikte şehir ısı adasının da 1951'den 2004'e genişlediğini göstermiştir. Temmuz ayı için gerçekleştirilen, geçmiş ve şuanki durumu temsil eden şehir görünümü benzeşim farklarından, şehrin Avrupa ve Asya yakasında, iki-hücreli şehir ısı adası yapısının varlığı tespit edilmiştir. İki benzeşim için, yüzey sıcaklığındaki maksimum fark yaklaşık 1oC'dir. Model çalışması, şehrin hakim kuzeydoğulu rüzgar hızının ve subuharı karışma oranının azaldığını göstermiştir. Şehirleşmenin neden olduğu ısınma etkisi, şehir üzerinde 600-800 m yüksekliğe kadar etkisini sürdürmekte ve yukarı seviyelerde meydana gelen iki ısı adası hücresi birleşmektedir.Çalışmanın ikinci kısmında, idealize edilmiş sayısal benzeşimler, kara-deniz meltemi ve şehir ısı adası gibi mezo-ölçek dolaşımların İstanbul'un yerel akışına etkisinin detaylı olarak incelenmesi için gerçekleştirilmiştir. Kara-su sınırlarını daha iyi cozen bir grid tekniğine sahip olmasından dolayı, düzensiz (unstructured) grid yapısı olan üç boyutlu hidrostatik olmayan sayısal bir model olan OMEGA, yataydaki homojen başlangıç rüzgarı, yerden modelin en üst atmosferik sınırına kadar kullanılarak ideal sayısal benzeşimler yapmak için çalıştırılmıştır. Yapılan ideal sayısal benzeşimler yardımı ile, göreceli olarak bölgenin coğrafi özelliklerinin; İstanbul Boğazı'nın ve şehirleşmenin lokal dolaşımlara etkisi incelenmiştir. Yapılan önceki araştırmalarda, topoğrafyanın yüksek olmadığı bölgelerde, topoğrafyanın lokal sirkülasyona etkisi olmadığı ifade edilmesine rağmen, İstanbul ve çevresinde varolan topoğrafyanın dolaşımı etkilediği görülmektedir. Sayısal modelin farklı başlangıç rüzgarları ile de benzeşim çalışmaları yapılmış ve dolaşım karakteristikleri farklılıklar göstermiştir. Araştırma sonuçları, İstanbul Boğazı'nın bir kanal akışının oluşumuna neden olduğunu ve topoğrafyanında bu akışı güçlendirdiğini göstermektedir. Şehirleşme, kara-deniz melteminin oluşmasını ve kara içlerine ilerlemesini düzenleyerek, lokal akışa katkıda bulunur. İdeal sayısal benzeşimlere ilave olarak, kara-deniz meltemi ve şehir ısı adası oluşumu için gerekli şartları sağlayan gerçek zamanlı benzeşimler de gerçekleştirilmiştir. Her bir ideal benzeşimin lokal sirkülasyona katkısı detaylı olarak incelenmiştir. Ayrıca, analizler yaz ve kış aylarındaki durumu belirlemek amacı ile, belirlenen iki gün için gerçek zamanlı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilmiş olan hipotetik benzeşimlerin sonuçları ışığında bu iki simülasyon karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Sonuçlar, OMEGA'nın oldukça iyi bir şekilde belirlenen tarihler için benzeşimler gerçekleştirdiğini göstermiştir. Kış benzeşimi için deniz melteminin 1000 UTC (1200 LST) meydana gelirken, yaz simülasyonu için 0700 UTC'de (1000 LST) meydana geldiğini göstermiştir. Her iki simülasyonda da yukarı seviyelerde tersine dolaşımlar meydana gelmiş ancak, yaz ayında meydana gelen dolaşımın atmosferin daha yukarı seviyelerinde olduğu gözlenmiştir. Konverjans ise kış ayı için 1300 UTC (1500 LST) ve yaz ayı için 1000 UTC'de (1300 LST) meydana gelmektedir. Kara meltemi ise, kış benzeşimi için 1700 UTC (1900 UTC) ve yaz ayı için 1900 UTC'de (2200 LST) başladığı tespit edilmiştir.Bu araştırmada yürütülen diğer bir çalışmada, sayısal model OMEGA ve atmosferik yayılma modelini kullanılarak Marmara Bölgesi'ndeki kirleticilerin taşınım ve yayılımı incelenmiştir. İstanbul ve Çanakkale Boğazları ile önemli bir su yolu olan Marmara Bölgesi, stratejik olarak önem arz etmektedir. Çalışmanın bu bölümünde, meydana gelebilecek bir tanker kazası sonucunda kirletici salınımının risk haritasının hazırlanmasına çalışılmıştır. Belirlenen noktalardan atmosfere salınan kirleticilerin dağılımı, Lagrangian yayılma modeli kullanılarak belirlenmiştir. Çalışmada, kirletici salınım noktaları için, kirletici dozunun oluşma olasılığı hesaplanmıştır. Sonuçlar yaygın partikül yayılma yönünün güney-güneydoğulu olduğunu ve oluşma olasılığının kirletici salınım noktalarına yakın bölgelerde yüksek olduğunu göstermiştir. Ayrıca yapılan duyarlılk testleri ile oluşma olasılığının, kaynaktan çıkan kirletici miktarına ve konsantrasyon ve dozaj için belirlenen eşikdeğerine hassas olduğu tespit edilmiştir.

Atmospheric motion is affected by wide range of scales from a few millimeters to thousands of kilometers. It is important to understand the behaviour of the atmospheric flows on these scales. Although all these scales play a role on the transport and dispersion of the pollutant, mesoscale atmospheric processes are significant over the traveling time and distance for short and long-range transport and dispersion of pollutants. Thermally and terrain induced circulations contribute to the transport and dispersion pattern of the pollutants via terrain characteristics and the surface inhomogeneities. Besides of these, growing urbanization modify the mesoscale circulation characteristics. The response of the local-scale circulation to the other scales or its interaction with them influences the characteristics of pollutant transport by means of the modified mesoscale circulation. Therefore, understanding mechanism of the development and evolution of local-scale flow features and their interaction with large-scale flow features is one of the desires.The research is concentrated on the mesoscale circulations (i.e. sea-land breeze, urban heat island). It is focused on a statistical and numerical investigation of the urbanization in Istanbul in the first part of the study. Mann-Kendall Trend test is applied to the minimum temperature dataset for urban, suburban and rural station in Istanbul to determine the existence and significance of trends, and starting year for the abrupt change in the trends. Limited area, non-hydrostatic, terrain-following sigma coordinate mesoscale model MM5 is also used for the modeling analyses. Mann-Kendall test indicates the statistically significant positive trends in the minimum temperature time series between urban and rural stations. Seasonal trend analyses depicts that the most pronounce urbanization effect occurs in summer. The changes in the trends are observed in 1970s and 1980s consistent with the increase in the population growth rate. The model results show the expansion of the urban heat island depending on the expansion of the city boundaries in Istanbul from 1951 to 2004. A two-cell structure of the urban heat island: one on the European side and the other one on the Asian side is observed at the surface from the July simulations with current and past landscape. The maximum surface level temperature difference between past and current simulations is about 1oC. The modeling experiment shows that the city reduces the prevailing northeasterly wind speed and water vapor mixing ratio. The heating effect of the urbanization penetrates about 600-800 m height in the atmosphere over the city, and the two surface heat island cells combines aloft.The idealized numerical simulations are performed on the second part of the study to investigate the details of the mesoscale circulations such as sea-land breezes and urban heat island effect on the local flow of Istanbul. A fully non-hydrostatic, three-dimensional numerical model (OMEGA) with unstructured grid and uniform initial flow at horizontal and vertical directions is performed for the simulations since its grid technique better captures the land-water boundaries. Relative effects of geographic features on the local circulation are exemplified by means of the idealized simulations. Furthermore, effect of the presence of a strait and urbanized area on the local circulation is analyzed. Topography-induced effect is observed over the hilly topography of Istanbul. Moreover, different background flow conditions are also examined for Istanbul. Uniform geostrophic wind with different wind direction also shows changes on the circulation characteristics. Results show that the channeling is occurred because of the Bosphorus and enhanced by the topography. Significant contribution to the local flow comes from urbanization by arranging the sea-land breeze existence or penetration over the domain. Real case simulations are also performed using OMEGA based on atmospheric conditions which are required for existence of a sea breeze and urban heat island over the Bosphorus. Furthermore, the analyses are conducted for two different dates. One of these dates is specified in summer and the other one is in winter. The flow conditions on these dates are compared and evaluated in the light of hypothetic simulations. The results show that OMEGA performs reasonably well. The fully developed sea breeze exits at 1000 UTC (1200 LST) in winter case while it is observed at 0700 UTC (1000 LST) in summer case. Re-current circulations are also observed on both simulations. However, it occurs higher in the atmosphere in summer case than the winter case. The convergence occurs at 1300 UTC (1500 LST) in winter case and 1000 UTC (1300 LST) in summer case. The land breeze occurs at 1700 UTC (1900 UTC) in winter whereas it is at 1900 UTC (2200 LST) for summer simulation.Another concern on this study is to investigate the behaviour of transport and dispersion of pollutants over the Marmara Region using numerical model (OMEGA) with its embedded Atmospheric Dispersion Model (ADM). The Marmara Region is located at strategically important waterway with its two narrow straits, the Bosphorus and the Dardanelles. The particular attention is focused on mapping risky area for the Straits, resulting from release of pollutants after a tanker accident. Lagrangian dispersion model is used to disperse materials from the specified release points. Probability of exceedance of dosages is calculated at the surface for these release points. Results depict the most common direction of the particle dispersion is south-southwesterly, and the most risky areas are located close to the release points. Also, the sensitivity simulations depict that the probability of exceedance values are sensitive to the source strength and threshold values of dosage and concentration.