Dynamics of the Turkish straits system :A numerical study with a finite element ocean model based on an unstructured grid approach

Abstract

Bu tez, sonlu elemanlar okyanus modelinin neredeyse kapalı Karadeniz ve Akdeniz su kütlelerini düz-olmayan ve uzun İstanbul ve Çanakkale Boğazları ile bunların arasindaki Marmara Denizi aracılığıyla bağlayan Türk Boğazlar Sistemine (TBS) tatbikini sunar.Türk Boğazları Sistemi, Karadeniz ve Akdeniz arasında önemli bir geçittir ve iki tabakalı iki yönlü akımların geliştiği dar kanalları kapsar.Karadeniz'deki tek tuz kaynağı ve Kuzey Ege Havzası'ndaki az tuzlu su kaynağı olarak TBS zamansal ve mekansal ölçekte çok çeşitli fiziksel süreçleri ortaya çıkarır. Bu geniş bir yelpazede yeterli ve etkili sayısal gösterim büyük bir çaba gerektirir ve hala bugünün klasik Okyanus Genel Sirkülasyon Modellerinin (OGSM) ötesindedir. Bu çalışmada, düşük çözünürlük yapısını Marmara Denizi'de 1,6 km'yi geçirmeyip bitişik rezervuarlarda 5 km'de tutarken bunları bağlayan Boğazlarda yaklaşık 65 m'ye kadar rafine eden yapısal olmayan model ağ tabanlı, çoklu çözünürlüklü okyanus modelinin (the Finite Element Ocean Model, FEOM) yeni bir bölgesel uygulamasina odaklandık. Bu model 2008 yılı için duyarlılık deneyleri ile birlikte hindcast simülasyonlarının temelini oluşturur.Doğrusal olmayan hidrolik geçişler ve dar boğazlarından ve sarp topografya üzerinden tabakalı türbülanslı değişim akışı Türk Boğazları Sistemde karmaşıklığın örneğidir. Bu işlemlerin bu bölgede yeniden doğru üretimi tam anlamıyla topografya doğruluğuna ve karmaşık kıyı geometrisine bağlıdır. Sonuç olarak, çok ışınlı deniz araştırmaları veya sayısallaştırılmış batimetrik çizelge bilgileri gibi farklı kaynaklardan, mevcut veri setleri birleştirilmesi ile yeni bir batimetri üretilildi. ArcGIS yazılımı tutarlı kıyı bilgilerin çıkarılması için gerekli araçları sağladı.Daha önceki birkaç çalışmadan farklı olarak bu çalışma yuvalama tekniği olmadan tüm TSS temsilini sağlayan ilk kapsamlı çalışmadır. Çoklu çözünürlük esnekliği ve sayısal verimli algoritma sayesinde FEOM sadece küresel iklim çalışmaları için değil, aynı zamanda bölgesel oşinografik uygulamalar için de çok yönlü bir alternatiftir.Mevcut verilere dönemi olan 2008 yılının gerçekçi atmosfer kuvveti ile bir yıllk uzun simülasyonlar gerçekleştirildi. Sonuçlar çoğunlukla piknoklin ve İstanbul ve Çanakkale Boğazı boyunca hacim taşımaları değişkenliği istikrarı odaklanarak değerlendirildi. Karadeniz tatlı su girişi Marmara Denizi'nde doğru tabakalaşmanın yanı sıra boğaz hacim akılarını da elde etmek için önemli bir unsurdur. Model bölge üzerinde güneybatıya fırtınalar geçişi sırasında üst tabakanın tersine akışını, Orkoz denilen, yakalar. Hindcast sonuçları iki ayda (Nisan ve Ekim 2008) toplanan gözlemsel veri setleri (kısmen bağımsız) ile karşılaştırılmıştır.Hindcast simülasyonları sistemdeki hemen hemen tüm kuvvet fonksiyonlarını içerir. Modelin çeşitli katsayıları ve kuvvet dengesizliklerine tepkisini değerlendirmek önem taşımaktadır. Bu nedenle, idealize edilmiş kilit-değişimi başlangıç koşullarına dayalı bir dizi simülasyon sunulmuştur. Sayısal hesaplamalar, üretilen ana dolaşım şekli önceki modelleme ve gözlemsel çalışmalarıyla tutarlı olduğunu göstermektedir. Yarı-homojen üst ve alt katmanları arasındaki hızlı tuzluluk ve sıcaklık değişiminin olduğu arayüzeyin İstanbul ve Çanakkale boğazları boyunca dik eğimi bu katmanlar arasındaki kütle ve momentum transferinin önemli olduğunu belirtir.

This thesis presents the application of the finite element ocean model to the Turkish Strait System (TSS) which connects the two nearly-enclosed marginal water bodies of the Black and Mediterranean Seas through the narrow, non-straight and elongated Bosphorus and Dardanelles Straits and the Marmara Sea in between.The Turkish Strait System is a key gateway between the Black and the Mediterranean Seas and includes narrow channels where two-layer exchange flow develops. Being the only salt source in the Black Sea and additional brackish water source in the North Aegean Basin, TSS poses wide range of physical processes in temporal and spatial scale. Adequate and effective numerical representation of this large spectrum is a grand challenge and still beyond today's classical Ocean General Circulation Models (OGCM). In this work, we focused on a new regional implementation of an unstructured mesh based multi-resolution ocean model (the Finite Element Ocean Model, FEOM) with refinement up to ~65 m in its connecting straits while keeping a coarse resolution no more than ~1,6 km in the Marmara Sea and ~5 km setup in the adjacent reservoirs. This model forms the basis of hindcast simulations in conjunction with sensitivity experiments for the year 2008. Nonlinear hydraulic transitions and stratified turbulent exchange flow through the narrow straits and over steep topography exemplifies the complexity in the Turkish Strait System. Correct reproduction of such processes in this region strictly depends on the accuracy of the topography as well as the complex coastal geometry. Consequently, a new bathymetry is produced by merging available data sets of different sources, such as multi-beam surveys or the digitized information from the bathymetric charts. ArcGIS software provided necessary tools for the extraction of the consistent coastal information.Unlike a few previous studies, this is the first comprehensive study enabling the representation of the entire TSS without nesting. Thanks to its that multi-resolution flexibility and numerically efficient algorithm, FEOM is a versatile alternative not only for global climate studies but also for regional oceanographic applications. We perform a-year long simulations that were forced with the realistic atmosphere of the year 2008, the period of available data. The results are assessed by focusing mostly on stability of the pycnocline and the variability of the volume transports across the Bosphorus and Dardanelles. The Black Sea freshwater input is a key element to obtain correct stratification in the Marmara Sea as well as the Bosphorus volume fluxes. The model captures the flow reversal of the upper layer, so-called Orkoz, during the passage of southwesterly storms over the region. Hindcast results are compared to observational datasets (partly independent) collected over two months (April and October 2008). Hindcast simulations includes almost all forcing functions in the system. It is of importance to assess the model response to various coefficients and forcing perturbations. Therefore, series of simulations are presented which are based on idealized lock-exchange initial conditions. Numerical calculations show that the main circulation patterns are produced well and consistent with previous modeling and observational studies. The interface which is the region of rapid salinity and temperature change between quasi-homogeneous upper and lower layers is sloped steeply throughout the Bosphorus and the Dardanelles Straits indicating that mass and momentum transfer between the these layers are important.