Application of a three-dimensional numerical model to the idealized conditions of the Bosphorus Strait

Abstract

oz ÜC-BOYUTLU SAYISAL BİR MODELİN İSTANBUL BOĞAZI'NIN BASİTLEŞTİRİLMİŞ KOŞULLARINA UYGULANMASI Sözer, Adil Yüksek Lisans, Fiziksel Oşinografi Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Emin Özsoy Aralık 2002, 168 sayfa Karadeniz ve Marmara Denizleri arasındaki İstanbul Boğazı, sığ ve dar yapısıyla Türk Boğazlar Sistemi'nin önemli bir parçasıdır, istanbul Boğazı'nın değişim akımı temel olarak geometri ve su kolonundaki tabakalaşmayla belirlenir ve komşu basenlerdeki net su bütçesi basınç ve rüzgar rejimine bağlı kuvvetlere karşı lineer olmayan, karmaşık bir tepki verir. Bu çalışmada İstanbul Boğazı'nın basitleştirilmiş koşullarının üç-boyutlu sayısal modeline dayanarak, İstanbul Boğazı akımının davranışının daha iyi anlaşılması amaçlanmıştır. Boğaz'ın açık sınır koşullarına bağlı olan tep kisi basitleştirilmiş geometrik ve hidrografik koşullar altında araştırılmıştır. Uzun süreli dinamiğinin incelenmesinde rijid-lit bir model yeterli olmakla beraber, kısa süreli değişimlerin tahmini ve bu değişimlerin Boğaz'daki ve komşu basenlerdeki su seviyesi yüksekliğiyle ilişkilendirilebilmesi için serbest yüzey hareketlerini de kapsayan ilkel-denklem modeli, SCRUM kullamlmıştır. Model topografya takip eden koordinat sistemine, seçilebilir karışım parametriza- syonlarına, yüzey, taban ve açık sınır koşullan için çeşitli seçeneklere sahiptir. Açık sınır koşullarının denenmesini, farklı tip yanal ve dikey karışımparametrizasyonlarını, edveksiyon şemalarıyla yapılmış deneyleri, geometrik etkilerin ve ızgara çeşit ve çözünürlüğünün etkilerinin denenmesini dahil eden bir çok simülasyon gerçekleştirilmiştir. Bu sonuçlar iki-tabakalı değişim akımlarının analitik çözümleri ve Boğaz'daki gözlemlerle karşılaştınlmıştır. Bu simulasyonlar, üç-boyutlu modelin, özel bir durum olan boğaz değişim akımlarına uygulanabilirliğini göstermiştir. Açık sınır koşullarının seçimi, modelin başarıyla uygulanabilmesi için atılması gereken ilk adımdır. Basitleştirilmiş koşullarda yapılan denemeler sonucunda, Boğaz için, akımın yönüne bağlı, tutarlı açık sınır koşulları seçiminin gerekli olduğu görülmüştür. Bu koşullar hatta, 'kilit-değişim' başlangıç koşulu ile birlikte saf yayılma sınır koşullan altında elde edilen sonuçlar, Boğaz'da da gözlemler neticesinde örneklendirilmiş olan kontrollü akımlardan, 'maksimal değişim' rejiminin varlığını desteklemektedir. Basitleştirilmiş koşullarda yapılan denemelerin rehberliğinde, henüz ortaya koyulabilir nitelikte sonuçlar alınamamış olmakla beraber, model istanbul Boğazı'nın gerçek topoğrafyasına ve geometrisine başarıyla uygulanmıştır. Gözlemlere uygun gerçekçi sonuçlar alabilmek için daha ileri çalışmalarla pa- rameterlerin ayarlanması gerekmektedir. İerki araştırmalar için şu an gelinen nokta cesaret vericidir. Anahtar Kelimeler: İstanbul Boğazı, hidrodinamik, model, iki tabakalı akım vı

ABSTRACT APPLICATION OF A THREE-DIMENSIONAL NUMERICAL MODEL TO THE IDEALIZED CONDITIONS OF THE BOSPHORUS STRAIT Sözer, Adil M.S., Department of Physical Oceanography Supervisor: Prof. Emin Ozsoy December 2002, 168 pages The Bosphorus Strait is a narrow and shallow channel between the Sea of Marmara and the Black Sea which plays an important role in the Turkish Straits System connecting the Black Sea and the Mediterranean Sea. The exchange flow through the Bosphorus Strait is principally determined by geometry and stratification, and exhibits a complex nonlinear response to forcing by the net water budget, pressure and wind setup effects in adjacent basins. This study aims for a better understanding of the behaviour of the Bospho rus Strait flow, based on a three-dimensional model of its idealized dynam ics. The response of the Strait is investigated with respect to open boundary conditions corresponding to idealized geometrical and hydrographical condi tions. Although the rigid-lid assumption would be appropriate for long-term dynamics, a model with free-surface was used to predict short-term changes and relate them to sea-level variability in the Strait and the adjacent basins. The free-surface, primitive equation model, SCRUM, was used for numerical simulations. The model has terrain-following coordinates, optional mixing iiiparametrizations, and various choices for the bottom, solid or open boundary conditions. Many simulations were performed including the testing of boundary con ditions, experiments with different types of horizontal and vertical mixing and diffusion parametrizations, advection schemes and tests of geometrical effects as well as grid type and the resolution. These results were compared with two-layer analytical solutions of exchange flows and the observations in the Bosphorus. These simulations showed the three-dimensional model to be applicable to the special case of strait exchange flows. The selection of the open boundary conditions is a non-trivial first step for successful application of the model. The results obtained from the tests with idealized cases corresponding to the Bosphorus Strait indicate the need for judicious choices of open boundary conditions, which depend on the flow direction. The results obtained with these choices and even the case with pure radiation boundary conditions started from 'lock-exchange' initial condition, support the existence of max imal exchange type of controlled flows, exemplified by observations in the Bosphorus. With guidance of the results obtained from applications to idealized cases, the model was succesfully implemented to the actual geometrical and to pographical conditions of the Bosphorus Strait, although conclusive results could not yet be obtained. A very encouraging point has been reached for further investigations which are needed on tuning of the model parameters to obtain realistic results consistent with observations in the Bosphorus Strait. Keywords: Bosphorus Strait, hydrodynamics, model, two-layer flow IV