Katalog

METEOROLOJİ Hava ve iklim modelleri, Kaos Teorisi ve belirsizlik Sayısal Hava Tahmini bilgisayarlar yardımıyla havayı tahmin etme prosedürü günümüzde sayısal hava tahmini olarak adlandırılır. Havayı tanımlayan pek çok değişken sürekli olarak değiştiği için, meteorolojistler atmosferin mevcut durumunu tanımlayan atmosferik modeller tasarlamışlardır. Bunlar fiziksel modeller olmayıp; sıcaklık, basınç ve nem gibi atmoferik değişkenlerin zamanla nasıl değiştiğini tanımlayan, altı veya sekiz eşitlikten oluşan matematiksel modellerdir. Modeller atmosferin gerçek davranışını değil; onun temel bazı davranış özelliklerini muhafaza ederler. kanatı üzerinde kalabilir (Şekil 2a); her iki yörünge de sağ tarafa geçebilir (Şekil 2b) veya yörüngelerden biri sol kanat üzerinde kalırken diğeri sağ kanata geçebilir (Şekil 2c). Her üç durumda, ilerleyen zaman içerisinde, yörüngeler birbirlerinden uzaklaşmaktadır. Bu, anlık hava durumu için yapılacak tahminlerin oldukça farklı sonuçlar vereceği anlamına gelir. Şekil 2. M Prof. Dr. Kasım Koçak İstanbul Teknik Üniversitesi, Meteoroloji Mühendisliği Bölümü [email protected] odeller bir bilgisayarda çalışacak şekilde programlanır. Yer ve yukarı seviye ait sıcaklık, basınç, nem, rüzgar ve hava yoğunluğu gibi değişkenler, bilgisayarlara yüklenmiş olan modellere girilir. Modelin asıl işlevi, belirli bir zaman adımı sonunda bu değişkenlerin, önceden belirlenmiş çok sayıdaki grid noktalarında ne yönde değişeceğini ortaya koymaktır. Çalışılan modele bağlı olarak grid noktaları arasındaki mesafe 10 km.’den 100 km.’ye kadar değişebilmektedir. Modellerde yer alan denklemler yalnızca çok sayıdaki yatay grid noktaları için değil; sayısı kullanılan modelin çözünürlüğüne bağlı olarak değişen yatay seviyelerdeki düşey grid noktaları için de hesaplanırlar. Bütün bu hesaplamaların sonuçları tekrar orijinal eşitliklere giriş verisi olarak girilir. Bu yeni veriler kullanılarak bir zaman adımı sonrası için yeni bir öngörü elde edilir. Bu şekilde hesaplamalara önceden belirlenmiş belli sürelere örneğin 12, 24, 36, 48, … saate ulaşılana kadar devam edilir. Hesaplama sürecinin sonunda bilgisayar mevcut bilgileri kağıda döker, analiz eder ve basınç sistemlerinin gelecekteki posizyonlarına ilişkin kontur haritalarını çizer. Böylece belli bir süre sonrası için atmosferin durumunu temsil eden tahmin kartları elde edilmiş olur. Bilgisayar temelli tahmin modelleri, gerçek atmosferi idealize ederler, diğer bir deyişle modeller atmosferle ilgili bir takım kabuller yaparlar. Bu kabuller bazı hava durumları için yeterince gerçekçi, diğer bazı hava durumları için ise gerçekçi olmayabilir. Dolayısı ile sayısal tahminler bazı günlerde atmosferin gerçek durumuna oldukça yakın, diğer bazı günlerde ise oldukça uzak sonuçlar üretebilir. Bir gün içerisinde dünya ölçeğinde sayısız gözlem yapılmasına rağmen, özellikle okyanuslar üzerinde, deniz ve yukarı seviyelere ilişkin gözlemler yine de yetersizdir. Uydular tarafından kaydedilen sıcaklık verisi bu soruna sadece bir ölçüye kadar çözüm getirmektedir. Sayısal tahminlerin doğruluğu, modellere girilen verilerin doğruluğu ile çok yakından ilişkilidir. Diğer taraftan gözlem istasyonlarının çok dağınık olması, modellerin bazı hava durumlarını gözden kaçırmasına veya tutarlı olmayan tahminlere neden olmaktadır. Yukarıda kısaca değinildiği gibi, bilgisayarlar atmosferin davranışını temsil eden eşitlikleri, belli grid noktaları için çözmektedir. Bunun bir sonucu olarak, kullanılan grid mesafesinden daha büyük bir uzunluk ölçeğine sahip olan hava sistemleri (örneğin orta enlem siklon ve antisiklonları) tahmin kartlarında görünürken; hortum gibi daha küçük ölçekteki atmosferik olaylar ise görünmezler. Bu nedenle sayısal modeller, siklonik sistemlerle ilişkili olan yağış olaylarını, lokal düzeydeki sağanak ve orajlardan daha iyi tahmin eder. SAYISAL HAVA TAHMİNİNİN SORUNLARI Edward N. Lorenz’in 1960’ların başlarında Massachussets Teknoloji Enstitüsünde (MIT) yapmış olduğu çalışmalar kaos teorisine önemli katkılar yaptı. Lorenz, atmosferin türbülanslı bir akışkan gibi davrandığını, nonlineer ve başlangıç koşullarına son derece duyarlı olan bir diferansiyel denklem sistemi tarafından idare edildiğinin farkındaydı. Lorenz, başlangıç koşullarına hassas bağımlılığın, hava öngörüsünü içinden çıkılmaz bir probleme dönüştüreceğini de seziyordu. Düşüncelerinin doğruluğundan emin olmak için, temel özellikleri aynı kalmak koşuluyla, denklemleri daha basit bir hale getirmeye çalıştı. Bu uğraşıların sonucunda, akışkanın davranışını idare eden karmaşık denklem sistemini x, y ve z gibi yalnızca üç değişkeni olan basit bir modele indirgedi. Bu modelde verilen bir andaki hava, faz uzayı olarak da adlandırılan üç boyutlu bir uzayda bir nokta ile, havanın zaman içerisindeki seyri ise bu noktalardan geçen bir yörünge ile temsil edilir. Modelin çalıştırılması sonucu elde edilen olası hava durumlarının kümesi ise Lorenz çekicisi olarak adlandırılır, (Şekil 1). Lorenz çekicisi ne bir boyutlu basit bir eğri ne de iki boyutlu bir yüzeydir. Çekici 2.06 gibi tam sayı olmayan (fraktal) bir boyuta sahiptir ve bu nedenle garip veya acayip sıfatları ile nitelendirilir. Şekil 1. Lorenz dinamik sistemi. ATMOSFERİN DAVRANIŞI VE KELEBEK ETKİSİ Atmosfer temelde kaotik olmasına rağmen, belli başlangıç koşullarından hareketle kısa vade hava tahmini yapılabilir. Bu başlangıç koşullarının neler oluğunu belirlemek için, seçilen bir noktaya çok yakın noktalardan hareketle yapılmış çok sayıda hava öngörüsüne gereksinim vardır. Şekil 3, iki gerçekçi hava tahmini örneğine ait faz uzayının belli bir zaman dilimindeki gelişimini göstermektedir. Şekil 3a’da verilen başlangıç koşulları için yapılan tahminler çok az bir sapma göstermektedir. Bu durumda, seçilen başlangıç koşulları için öngörülebilirlik dolayısı ile tahminlerin güvenilirliği yüksektir. Şekil 3’de ise birincisine yakın başlangıç koşulları durumunda belli bir zaman dilimi için yapılan tahminleri göstermektedir. Ancak bu durumda tahminler faz uzayının oldukça geniş bir bölgesine dağılmaktadır. Bu başlangıç koşulları dikkate alındığında, tahmin peryodu boyunca atmosfer kaotik durumdadır ve güvenilir tahmin yapılamaz. Şekil 3. Atmosfer için tahmin edilebilirliğin bir sınırı vardır. Kelebek etkisi de tam bu duruma vurgu yapar. Başlangıç koşullarındaki küçük farklardan kaynaklanan hatalar zamanla hızla büyür ve sonucunu önceden tahmin edemeyeceğimiz bir ölçüde değiştirirler. Bunun pratikdeki anlamı, tahmincilerin bu yılbaşında kar yağıp yağmayacağını çok önceden tahmin edemeyecekleridir. Bunun nedeni modellerin yeterince gelişmiş olmamasından ya da havanın davranışını belirleyen fiziksel yasalara tam olarak hâkim olmamamızdan değil; atmosferin davranışının doğası gereği kaotik olmasından kaynaklanmaktadır. İklim modelleri sayısal hava tahmin modellerinden farklı olarak, hava olaylarının nerede ve ne zaman meydana geleceğinin tahmininden ziyade, hava olaylarının ortalama ve değişkenliği ile ilgili istatistikler üretir. Diğer bir deyişle iklim modelleri hava tahmin modelleri durumunda olduğu gibi başlangıç koşullarına bağlı değildir. On yıllardan yüz yıllara uzanan bir zaman peryodunu ilgilendiren uzunvade iklim problemi söz konusu olduğunda, sorunun çözümü daha farklı bir güçlük arzeder. 2050 yılında El Nino’nun mu yoksa La Nina’nın mı yaşanacağı, diğer bir deyişle başlangıç koşullarıyla ilgilenmiyoruz. Tersine ilgilendiğimiz konu, sınır koşullarının değişmesi durumunda, iklim sisteminin temel istatistik özelliklerinin bu değişime nasıl bir tepki göstereceğidir. Bilim adamları hava ve iklim modellerinin amaçlarını farklı terimlerle ifade ederler. Örneğin projeksiyon, sınır koşullarının değişimine tepki olarak, iklim sisteminin temel istatistiklerinin nasıl değişeceğini ifade eder. Diğer taraftan tahmin (prediction), sabit sınır koşulları altında, verilen bir başlangıç koşulundan hareketle, iklim sisteminin ortaya koyduğu kısavade davranışı ifade eder. İklim modelerinin sınır koşulları, iklim sistemi içinde İKLİM MODELLEMESİ Lorenz dinamik sistemi, hava rejimlerinin gelişimini tam olarak yansıtmaz. Bununla birlikte Lorenz dinamik sistemi, hava rejimlerinin zaman içerisindeki kaotik davranışının niteliksel özelliklerinin anlaşılmasında önemli bir rol oynar. Şekil 1’den de görüldüğü gibi, Lorenz çekicisi kelebek kanatları olarak adlandırılan iki kısımdan oluşmaktadır. Soyut bir uzaydaki bu kanatlar, gerçek hava olayları açısından yağışlı ve yağışsız durumlar şeklinde değerlendirilebilir. Çekicinin sol kanatı üzerinde birbirine yakın rastgele iki noktayı dikkate alalım. Bu iki nokta, verilen bir bölge üzerindeki hemen hemen benzer hava koşullarını temsil eder. Faz uzayında seçilen bu noktalardan hareketle, iki hava durumunun başlangıç gelişimini takip edebiliriz. Bu koşullar altında üç olasılık sözkonusudur: Her iki yörünge de çekicinin sol CBT 142914 /8 Ağustos 2014