An investigation on coastal sea level changes of Blacksea using tide-gauge and satellite altimetry data

Abstract

Dünya nüfusunun büyük bir çoğunluğu kıyı alanlarda toplanmıştır ve deniz seviyesi değişimi canlı yaşamına doğrudan ya da dolaylı olarak etki eder. Global iklim değişiminin (Greenhouse gazları, buzulların erimesi, vb. nedenlerden) yol açtığı deniz seviyesi değişimlerinin izlenmesi ile yeryuvarını ve yaşamı yakından ilgilendiren bu süreç deniz seviyesi değişimleri ile sebep-sonuç ilişkisi içerisinde incelenebilir ve ileriye yönelik tahminler ortaya koyulabilir. Bu gibi nedenlerle deniz seviyesi değişimlerinin global ve lokal anlamda düzenli olarak izlenmesi, analiz edilmesi, yöneliminin saptanması, zamansal değişimlerinin irdelenmesi önem arz etmektedir.Deniz seviyesi değişimlerinin irdelenmesinde mareograf istasyonu verileri, GNSS gözlemleri, uydu altimetre, yer gravite alanı uydu misyonu verileri ve oşinografik verilerden yararlanılır. Değişimlerin izlenmesinde yalnızca tek bir veri grubuna (konvansiyonel mareograf istasyonu verilerine) dayalı analizler deniz seviyesinin irdelenmesine yönelik dar kapsamlı ve kısıtlı irdeleme olanağı sağlar. Mareograf istasyonlarında kayıt edilen deniz seviyesi gözlemlerinin karanın düşey hareketlerinden etkilenmesi bu gözlemlere dayalı gerçekleştirilecek analizler için bir diğer önemli olumsuzluk olarak değerlendirilmekte ve deniz seviyesi gözlemlerinin irdelenmesi öncesinde istasyona ilişkin düşey deformasyonların belirlenmesi gereğini ortaya koymaktadır. Bunun yanı sıra mareograf istasyonu verilerine dayalı deniz seviyesi değişimi analizi gözlem istasyonlarının seyrek dağılımı nedeniyle de yetersiz kalmaktadır. Mareograf verilerinin taşıdığı bu olumsuzların üstesinden gelinmesinde uydulardan elde edilen radar altimetre gözlemleri kullanılmaktadır. Uydu altimetresi 1970'li yıllardan günümüze deniz seviyesi araştırmalarında kullanılmaktadır.Gerçekleştirilen çalışma kapsamında Karadeniz'e ilişkin deniz seviyesi değişimleri 10 adet mareograf istasyonlarındaki veriler ve uydu altimetre verileri kullanılarak analiz edilmektedir. Bu verilerin analizinde uygulanan spektral analiz yaklaşımları (En Küçük Kareler Spektral Analizi-LSSA, Dalgacık Spektral Analizi - WSA, Başlıca Bileşen Analizi-PCA) karşılaştırılarak, yöntemlerin avantaj ve zayıflıkları rapor edilerek karşılaştırılmaktadır. Mareograf verilerinin değerlendirilmesi sonucu elde edilen deniz seviyesi değişimleri uydu altimetre verileri ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmakta ve çalışma alanına ilişkin deniz seviyesi ve değişimleri global ve lokal değerlendirilmektedir. Elde edilen sonuçlar spektral analiz yöntemlerinin karşılaştırılmasının yanı sıra Karadeniz deniz seviyesi değişimlerinin yorumlanmasında da kullanılmaktadır.Bu araştırmanın hedeflediği katkıları iki temel başlıkta belirtebiliriz:1. Aynı bir zaman diliminde elde edilen verilerin analizi için gelişmiş istatistiksel yöntemler ve matematiksel modellere ihtiyaç duyulur. Zaman serisi analizi ile analiz edilen sinyalin temel karakteristik davranışları çok daha iyi ve detaylı irdelenebilir. Sinyalin içerdiği gürültü ayrıştırılabilir. Bu çalışmada Karadeniz'de deniz seviyesi değişimlerinin gözlemlerin zaman serilerine dayanarak analiz edilmesinde, En Küçük Spektral Analizi (Least Square Spectral Analysis-LSSA), Dalgacık Spektral Analizi (Wavelet Spectral Analysis-WSA, Continues Wavelet Transform-CWT), Başlıca Bileşen Analizi (Principle Component Analysis-PCA) , Fourier Dönüşümü (FT), yaklaşımları uygulanmıştır. Bu yöntemlerin matematiksel kurgularının ve bu yöntemlerle analiz sonuçlarının karşılaştırılması hem metodolojik açıdan hem de deniz seviyesi değişimlerinin irdelenmesindeki uygunlukları açısından üstünlük ve zayıflıklarını ortaya koyacaktır. Deniz seviyesi değişimlerinin araştırılmasında geleneksel ve yeni yöntemlerin bir arada karşılaştırılması nedeniyle de literatüre katkı sağlamaktadır.2. Diğer taraftan bu çalışma Karadeniz deniz seviyesi değişimlerinin yersel (mareograf) ve de uydulara dayalı (altimetre) verilerin değerlendirilmesi ile geniş spektrumlu bir irdelemeye tabii tutulacaktır.Deniz seviyesi değişimlerinin kapsamlı irdelenmesi, zamansal trend ve periyodik değişimlerin ortaya koyulması, yalnızca çevreye olan etkilerinin saptanması açısından değil jeodezi uygulamalarında sağlıklı bir düşey datum tanımlanması ve geoidin ifade edilmesi açısından da önem taşımaktadır.Çalışma elde edilen sonuçlara göre Karadeniz mareograf istasyonu verilerinin değerlendirmesi neticesinde, İğneada, Amasra ve Trabzon istasyonlarında kayıt edilen kısa zaman serilerinin gel-git' e dayalı bileşenlerinin belirlenmesinde yetersiz kaldığı, özelikle yıllık ve yarı-yıllık gelgit bileşenlerini ortayı koyamadığı görünmüştür. Sürekli Dalgacık Dönüşümü (Continuous Wavelet Transform-CWT) ve çarpraz Dalgacık Dönüşümü (Cross Wavelet Transform-XWT) yöntemlerinde aynı sonucu doğrulamaktadır. Dalgacık yöntemi analizi sonuçları, Sevastopol, Batumi, Tuapse ve Varna da deniz seviyesi aynı özelikleri gösterdiği ortaya koyulmuştur. Tez araştırması kapsamında yapılan analizlerde deniz seviyesi değişimlerinin ayni zaman aralıklarında yakın faz da gerçekleşti görülmüştür.Uygulanan Başlıca Bileşen Analizi (Principle Component Analysis-PCA) algoritması özelikle Varna ve Batumi istasyonlarında kayıt edilen deniz seviyesi gözlemlerindeki kaba hatalı ölçülerin ayıklanmasında oldukça başarılı sonuçlar ortaya koymüş ve neticesinde spektral analizlerin daha sağlıklı gerçekleştirilmesinde sağlanmıştır. Çalışmanın kapsamında ayrıca en küçük kareler spektral analiz yöntemi uygulanmıştır. Zaman serilerinin spektral analizinde, en küçük kareler spektral yönteminin avantajı, eşit aralıkla kayıt edilmemiş, boşluklar içeren gürültü düzeyi yüksek, verilerin de analiz edilebilmesidir. Bu çalışmada da mareograf verilerinden elde edilen deniz seviyesi gözlemleri, zaman serilerinin etkin bir biçimde analiz edildiği ve anlamlı sonuçlar ortaya koyduğu görülür.Karadeniz deniz seviyesinin araştırılmasında ve irdelenmesinde mareograf istasyonu verilerinin yani sıra, uydu altimetre verilerinden elde edilen grid ve uydu izi boyunca gözlemlerde kulan ilmiştir. Uydu altimetre verilerinin genel kapsama alanı ve Karadeniz'in tamamını temsil etmesi yalnızca, noktasal deniz seviyesi değişimlerinin analizini olanak sağlayan mareograf istasyonu verilerine göre, üstünlüğü olarak söylenebilir. Çalışmada altimetre verilerin analizinden elde edilen, deniz seviyesi değişime periyodik bileşenler ve faz büyüklükleri mareograf istasyonu destekler niteliktedir. Bunu yanısıra, uydu izi boyunca mevcut verilerin kullanılması neticesinde elde edilmesi beklenen doğruluk artışı sağlanamamıştır. Çalışma sonuçları altimetre verilerinden elde edilen ve grid formda servis edilen, verilerin çalışma için yeterli olduğunu göstermiştir. Vurgulanması gereken diğer bir önemli sonuç ise PCA algoritmasının kaba hatalı ölçülerin elemine edilmesinde kullanılmasının irdelenen gel-git periyotlarının spektral anlamlılığını (gücünü) arttırdığını göstermiştir. Uydu izi boyunca altimetre verilerinin grid verideki boşlukların doldurulmasında anlamlı katkı sağladığı görünmüştür.Bunu yanı sıra altimetre verisinin kıyı alanlarda düşük doğruluğa sahip olması en önemli dezavantajıdır. Deniz seviyesi izlenmesine yönelik yapılan çalışmalarda, uydu izlerinin mareograf verilerinin belirli bir uzaklıktan geçiyor olması, mareograf istasyonundaki altimetre değerinin üretilmesinde uygun interpolasyon algoritmasının kullanılmasını gerektirir.Tez çalışmasının içeriğinde ilk bölüm konun tanıtımı, Karadeniz ve genel olarak deniz seviyesi değişimlerinin ele alındığı yayınlar ile kullanılan spektral analiz yöntemlerine ilişkin temel kaynakların incelendiği literatür ve araştırmanın amaçlarını içermektedir. İkinci bölümde deniz seviyesinin araştırılmasında ve incelenmesinde kullanılan veri kaynakları (deniz durağı gözlem (mareograf) istasyonları, uydu altimetre misyonları) tanıtılmakta ve bu verilere dayalı olarak deniz seviyesinin irdelenmesinde dayanılan temel ilişki ve eşitlikler verilmektedir. Üçüncü bölümde çalışma kapsamında kullanılan spektral analiz yöntemleri (harmonik analiz, En Küçük Kareler Spektral Analizi, Fourier Dönüşümü, Dalgacık Spektral Analizi ve Başlıca Bileşen Tahmini) detaylı olarak anlatılmakta ve temel literatüre dayandırılarak ilgili matematiksel altyapıları tanıtılmaktadır.Son olarak çalışmanın dördüncü ve beşinci bölümlerinde Karadeniz mareograf istasyonları ve uydu altimetre verileri kullanılarak gerçekleştirilen analiz sonuçları sayısal olarak verilmekte ve yorumlanmaktadır. Elde edilen analiz sonuçlarına dayalı olarak uygulanan spektral analiz yöntemlerinin üstünlük ve zayıflıkları ortaya koyulmakta, Karadeniz'de deniz seviyesi değişimi için elde edilen sonuçlar yorumlanmaktadır.

The sea level changes are one of the indicators of climate change and effect the world life today and in future, with reasons such as coastal erosion, saltwater intrusion, inundation etc. Beside the oceanographic data, evaluation of tide-gauge and satellite altimetry data provide valuable input to analyse and estimate the long-term sea level changes and also contribution of these results to oceanographic and climate investigations will be vital for future planning and precautions for life.In order to know the exact causes of sea level changes, Vertical Land Motion (VLM) rates must be also considered. This study investigates and compares various spectral analyzing methods that are Least Square Spectral Analysis (LSSA), Wavelet Analysis and Principle Component Analysis (PCA), in evaluation of tide-gauge and satellite altimetry data hence clarifies the advantages and drawbacks of each methods from methodological and practical point of view for each group of data. In this purpose both monthly Mean Sea Level (MSL) observations at ten tide-gauge stations surrounding Blacksea coast and Sea Level Anomaly of grid and Along-Track altimetry data of this region are considered. Also difference between tide gauge and altimetry data are compared with nearby continuous GPS data for VLM rates' analysis. The tide gauge data (Igneada, Amasra and Trabzon-Turkey; Batumi and Poti-Georgia; Tuapse-Russia; Sevastopol-Ukraine; Constantza-Romania; Varna and Burgas-Bulgaria) are obtained from Permanent Services for Mean Sea Level (PSMSL) global network of tide gauges, with varying time spans between 8 to 139 years. Satellite altimetry data includes multi-mission grid altimetry data and Along-Track data of Topex/Poseidon, Jason 1, Jason 2 and Geosat Follow-On (GFO) during 1993-2015 are obtained from Achieving, Validation and Interpretation of the Satellite Oceanographic (AVISO) service. GPS vertical velocity data of nearby tide gauge stations in Turkish coasts are obtained from Continuously Operating Reference Station (CORS) which are delivered by General Command of Mapping (GCM) and for other stations are obtained from Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC) and EUREF Permanent Network. In conclusion, beside representing amplitude and phase of tidal constituents, sea level trend, periodicities, correlations among the stations, the regional observing system and the quality of the tide gauge and satellite altimetry records in the region are discussed and reported over the drawn results of the study.