Spatial distribution of precipitation in Aegean Region

Abstract

Spatial modelling of climatological variables is one of the most crucial parts of environmental studies. Prediction of natural events such as hydrological phenomenon, drought, flood, ground-surface water amount, pollution of water sources, and issues related to air pollution requires an efficient model of precipitation. Precipitation is one of the most indispensable climatological variables. In this study, spatial pattern of Aegean Region was shown using precipitation data from 36 meteorological stations obtained between 1975 and 2010. Modelling of annual mean precipitation pattern was performed using either Ordinary Kriging as a spatial interpolation technique or Inverse Distance Weighted technique. Precision of prediction maps were tested with cross-validation. In comparison with Inverse Distance Weighted technique, Ordinary Kriging technique has generated more precisely prediction maps. In this study, it might be concluded that Ordinary Kriging has better reflected the spatial pattern of precipitation

Keywords

• Annual mean precipitation, spatial interpolation, Ordinary Kriging, Inverse Distance Weighted Aegean Region.

Ege Bölgesi’nde yağışın mekânsal dağılımı

Abstract

Çevre çalışmalarında iklimsel değişkenlerin mekânsal olarak modellenmesi önemli bir yer tutar. Hidrolojik çalışmalar, kuraklık ve sel gibi olayların tahmin edilmesi, yerüstü ve yeraltı su kaynakları miktarının tahmini, su kaynaklarının kirlenmesi, hava kirliliği ile ilişkili konular özellikle yağış değişkeninin iyi bir şekilde modellenmesini gerektirir. Yağış, iklimsel değişkenlerin en önemli parametrelerinden biridir. Bu çalışmada, 1975-2010 dönemine ait 36 meteoroloji istasyonunun verileri kullanılarak, Ege Bölgesi’nin yıllık ortalama yağışının mekânsal deseni ortaya konulmuştur. Yağış değişiminin modellenmesinde mekânsal enterpolasyon tekniklerinden Ordinary Kriging ve Inverse Distance Weighted teknikleri kullanılmıştır. Elde edilen tahmin haritalarının doğruluğu Çapraz Geçerlilik (Cross-Validation) yöntemiyle test edilmiştir. Ordinary Kriging, Inverse Distance Weighted tahmin sonuçları ile karşılaştırıldığında, daha doğru tahmin haritaları oluşturmuştur. Bu çalışmada Ordinary Kriging yönteminin yağışın genel mekânsal desenini daha iyi yansıttığı sonucuna ulaşılmıştır

Keywords

• Yıllık ortalama yağış, mekânsal enterpolasyon, Ordinary Kriging, Inverse Distance Weighted, Ege Bölgesi.

References

1. Anselin, L. (2003) “Spatial externalities, spatial multipliers, and spatial econometrics”, International Regional Science Review, 26, 153-166.
2. Apaydin, H.; Anli, A.S.; Ozturk, F. (2011) “Evaluation of topographical and geographical effects on some climate parameters in the Central Anatolia Region of Turkey”, International Journal of Climatology, 31, 1264-1279.
3. Bahadır, M. (2011) “Ege Bölgesi‟nde yağışın yüzeysel dağılım modellemesi”, Turkish Studies-International Periodical for the Languages, Literature and History of Turkish or Turkic, 6(2), 213-228.
4. Bailey, T.C.; Gatrell, A.C. (1995) Interactive Spatial Data Analysis, Addison Wesley Longman Limited, Harlow, UK.
5. Barnsley, M.J. (2007) Environmental Modeling, CRC Press, USA.
6. Beek, E.G.; Stein, A.; Janssen, L.L.F. (1992) “Spatial variability and interpolation of daily precipitation amount”, Stochastic Hydrology and Hydraulics, 6, 304–320.
7. Bivand, R.S.; Pebesma, E.; Gómez-Rubio, V. (2008) Applied Spatial Data Analysis with R (use R ), 1. Edition, Springer, London.
8. Boer, E.P.J.; Beurs, K.M.; Hartkamp, A.D. (2001) “Kriging and thin plate splines for mapping climate variables”, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 3(2), 146-154.

9. Bostan, P.A.; Heuvelink, G.B.M.; Akyurek, S.Z. (2012) “Comparison of regression and kriging techniques for mapping the average annual precipitation of Turkey”, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 19, 115-126.
10. Carrera-Hernandez, J.J.; Gaskin, S.J. (2007) “Spatio temporal analysis of dairly precipitation and temperature in the Basin of Mexico”, Journal of Hydrology, 336, 231-249.
11. Caruso, C.; Quarta, F. (1998) “Interpolation methods comparison”, Computers and Mathematics with Applications, 35(12), 109-126.
12. Changnon, S.A.; Hewings, G.J.D. (2001) “Losses from weather extremes in the United States”, Natural Hazards Review, 2, 113.
13. Chun, Y.; Griffirth, D.A. (2013) Spatial Statistics&Geostatistics, SAGE, London.
14. Cliff, A.D.; Ord, J.K. (1973) Spatial Autocorrelation, Pion Ltd, London, UK.
15. Cliff, A.D.; Ord, J.K. (1981) Spatial Process: Models and Applications, Pion Ltd, London, UK.
16. Çetin, M.; Tülücü, K. (1998) “Doğu Akdeniz Bölgesi‟nde aylık yağışların yersel değişimlerinin jeoistatistik yöntemle incelenmesi”, Turkish Journal of Engineering and Environmental Science, 22, 279-288.
17. Çiçek, (2001a) “Türkiye‟de mevsimlere göre yağış şiddetleri ve sıklıkları”, Türkiye Coğrafyası Araştırma ve Uygulama Merkezi Dergisi, 8, 1-27.
18. Çiçek, (2001b) “Türkiye‟de günlük yağış şiddetleri ve sıklıkları”, Türkiye Coğrafyası Araştırma ve Uygulama Merkezi Dergisi, 8, 27-49.
19. Daly, C.; Gibson, W.P.; Taylor, G.H.; Johnson, G.L.; Pasteris, P. (2002) “A knowledge-based approach to the statistical mapping of climate”, Climate Resarch, 22, 99-113.
20. Darkot, B.; Tuncel, M. (1988) Ege Bölgesi Coğrafyası, İstanbul Üniversitesi Yayınları/Coğrafya Enstitüsü Yayınları, 2.Baskı, İstanbul.
21. Declercq, F.A.N. (1996) “Interpolation methods for scattered sample data: accuracy, spatial patterns, processing time” Cartography and Geographic Information Systems, 23, 128-144.
22. Demir, İ.; Kılıç, G.; Çoşkun, M. (2008) “Türkiye‟de maksimum, minumum ve ortalama hava sıcaklıkları ile yağış dizilerinde gözlenen değişiklikler ve eğilimler”, TMMOB İklim Değişimi Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, TMMOB adına TMMOB Meteoroloji Mühendisleri Odası, Ankara.
23. Diodato, N. (2005) “The influence of topographic co-variables on the spatial variability of precipitation over small regions of complex terrain”, International Journal of Climatology, 25(3), 351-363.
24. Erbekçi, E. (2006) Türkiye’de Yağış Olasılığının Zamansal ve Alansal Değişimleri, Basılmamış Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Çanakkale.
25. Erinç, S. (1996) Klimatoloji ve Metodları, Alfa Basım ve Dağıtım, İstanbul.
26. Erlat, E. (1999) “El nino, la nina ve güneyli salınım”, Ege Coğrafya Dergisi, 10, 195-217.
27. Fotheringham, A.; Brunsdon, C.; Charlton, M. (2000) Quantitative Geography Perspectives on Spatial Data Analysis, SAGE, London.
28. Gemmer, M.; Becker, S.; Jiang, T. (2004) “Observed monthly precipitation trends in China 1951–2002”, Theoretical and Applied Climatology, 77, 39–45.
29. Goovaerts, P. (2000) “Geostatistical approaches for incorporating elevation into the spatial interpolation of rainfall”, Journal of Hydrology, 228, 113-129.
30. Hansen, H.S. (1997) “Avenue-a powerful environment for developing spatial data analysis tools”, 12th ESRI European User Conference, 29 Eylül-1 Ekim 1997, Copenhagen, Denmark.
31. Hengl, T. (2009) A Practical Guide to Geostatisticstical Mapping, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg.
32. Hernandez-Stefanoni, J.L.; Ponce-Hernandez, R. (2006) “Mapping the spatial variability of plant diversity in a tropical forest: comparison of spatial interpolation methods”, Environmental Monitoring and Assessment, 117, 307-334.
33. Hession, S.L.; Moore, N. (2011) “A spatial regression analysis of the influence of topography on monthly rainfall in East Africa”, International Journal of Climatology, 31, 1440-1456.
34. Hodgson, M.E. (1992) “Sensitivity of spatial interpolation models to parameter variation: ACSM Technical Papers”, American Congress on surveying and mapping”, Bethesda, MD.
35. Hofierka, j.; Parajka, J.; Mitasova, H.; Mitasi L. (2002) “Multivariate interpolation of precipitation using regularized spline with tension”, Transactions in GIS, 6(2), 135-150.
36. Hohn, M.E. (1998) Geostatistics and Petroleum Geology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
37. Hutchinson, M.F. (1998) “Interpolation of rainfall data with thin plate smoothing splines-part II: analysis of topographic dependence”, Journal of Geographic Information and Decision Analysis, 2(2), 152-167.
38. Isaaks, E.; Srivastava, R. (1989) An Introduction to Applied Geostatistics, Oxford University Press, New York.
39. Iyigun, C.; Türkeş, M.; Batmaz, İ.; Yozgatligil, C.; Purutçuoğlu, V.; Kartal Koç, E.; Öztürk, M.Z. (2013) “Clustering current climate regions of Turkey by using a multivariate statistical method”, Theoretical and Applied Climatology, 114, 95- 106.
40. İrdem, C. (2005) Türkiye’de Yağışların Şiddet Bakımından Alansal ve Zamansal Değişkenliği, Basılmamış Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Çanakkale.
41. Jagannathan, P.; Arlery, R.; Ten, K.H.; Zavarina, M. (1967) “A note on climatological normals”, World Meteorological Organization, Technical Note 84, WMO, Geneva.
42. Kadıoğlu, M. (1997) “Şehirleşmenin Marmara Bölgesi‟ndeki yağışlara etkisi”, TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası Su ve Çevre Sempozyumu, 2-5 Haziran 1997, İstanbul.
43. Kadıoğlu, M. (2001) Bildiğimiz Havaların Sonu, Güncel Yayıncılık, İstanbul.
44. Kalkhan, M.A. (2011) Spatial Statistics Geospatial Information Modelling and Thematic Mapping, CRC Press, USA.
45. Kieffer Weisse, A.; Bois, P.H. (2002) “A comparison of methods for mapping statistical characteristics of heavy rainfall in the French Alps: the use of dairly information”, Hydrological Sciences, 47(5), 739-752.
46. Koç, T. (2001) Kuzeybatı Anadolu’da İklim ve Ortam: Sinoptik, İstatistik ve Uygulama Boyutlarıyla, Çantay Kitabevi, İstanbul.
47. Koç, T.; İrdem, C. (2007) “Türkiye‟de yağışların şiddet bakımından zamansal ve alansal değişkenliği”, Türk Coğrafya Dergisi, 49, 1-42.
48. Koçman, A. (1993) Türkiye İklim, Ege Üniversitesi Edebiyat Fakültesi Coğrafya Bölümü, İzmir.
49. Koçman, A.; Işık, S.; Mutluer, M. (1996) “Ege Ova‟larında yağış değişkenliği ve kuraklık sorunu”, Ege Coğrafya Dergisi, 8:25-36.
50. Kravchenko, A.N.; Boast, C.W.; Bullock, D.G. (1999) “Multifractal analysis of soil spatial variability”, Agronomy Journal, 91, 1033-1041.
51. Krivoruchko, K.; Gotway, C.; Zhigimont, A. (2003) “Statistical tools for regional data analysis using GIS”, GIS’03 Proceedings of the 11th Association for Computing Machinery (ACM) International Symposium on Advances in Geographic Information Systems, 7 Kasım 2003, USA.
52. Kutiel, H.; Türkeş, M. (2005) “New evidence about the role of the North Sea-Caspian Pattern (NCP) on the temperature and precipitation regimes in Continental Central Turkey”, Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography, 87, 501- 513.
53. Kyriakidis, P.C.; Kim, J.; Miller, N.L. (2001) “Geostatistical mapping of precipitation from rain gauge data using atmospheric and terrain characteristics”, Journal of Applied Meteorology, 40, 855-1877.
54. Lloyd, C.D. (2005) “Assessing the effect of integrating elevation data into the estimation of monthly precipitation in Great Britain”, Journal of Hydrology, 308, 128-150.
55. Lloyd, C.D. (2010) “Nonstationary models for exploring and mapping monthly precipitation in the United Kingdom”, International Journal of Climatology, 30, 390-405.
56. Martínez-Cob, A. (1996) “Multivariate geostatistical analysis of evapotranspiration and precipitation in mountainous terrain”, Journal of Hydrology, 174, 9-35.
57. Marquínez, J.; Lastra, J.; Garcia, P. (2003) “Estimation models for precipitation in mountainous regions: the use of GIS and multivariate analysis”, Journal of Hydrology, 270 (1-2), 1-11.
58. Morrison, J.L. (1971) “Method-produced error in isarithmic mapping”, American Congress on Surveying and Mapping, Washington, DC.
59. Olea, R.A. (1982) “Optimization of the high plains aquifer observation network, Kansas”, Kansas Geological Survey, Groundwater Series, 7.
60. Orman ve Su İşleri Bakanlığı, (2013) 2012 Yılı Yağış Değerlendirmesi, Ankara.
61. Öztürk, D.; Batuk, F. (2010) “Meteorolojik verilerin CBS ve çok değişkenli istatistiksel analiz yöntemleriyle konumsal enterpolasyonu”, DMI, 1. Meteoroloji Sempozyumu, 27-28 Mayıs 2010, Ankara.
62. Pebesma, E.J.; Wesseling, C.G. (1998) “Gstat, a program for geostatistical modelling, prediction and simulation”, Computers & Geosciences, 24(1), 17–31.
63. Pebesma, E.J. (2004) “Multivariable geostatistics in S: the gstat package”, Computer&Geosciences, 30, 683-691.
64. Peucker, T.K. (1980) “The impact of different mathematical approaches to contouring”, Cartographica, 17, 73-95.
65. Phillips, D.L.; Dolph, J.; Marks, D. (1992) “A comparison of geostatistical procedures for spatial analysis of precipitation in
66. mountainous terrain”, Agricultural and Forest Meteorology, 58(1-2), 119–141.
67. Pielke Jr, R.A.; Downton, M.W. (2000) “Precipitation and damaging floods: trends in the United States, 1932-97”, Journal of Climate, 13(20), 3625–3637.
68. Sarış, F. (2006) Türkiye‟de Yağış Yoğunluğunun Alansal ve Zamansal Değişkenliği, Basılmamış Yüksek Lisans Tezi, Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü, Çanakkale.
69. Sariş, F.; Hannah, D.M.; Eastwood, W.J. (2010) “Spatial variability of precipitation regimes over Turkey”, Hydrological Sciences Journal, 55(2), 234-249.
70. Sharples, J.; Hutchinson, MF.; Jellett, D.R. (2005) “On the horizontal scale of elevation dependence of Australian monthly precipitation”, Journal of Applied Meteorology, 44 (12), 1850–1865.
71. Symeonakis, E.; Bonifacio, R.; Drake, N. (2009) “A comparison of rainfall estimation techniques for sub-Saharan Africa”, International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 11, 15-26.
72. Tatlı, H.; Dalfes, N.; Menteş, S. (2004) “A statistical downscaling method for monthly total precipitation over Turkey”, International Journal of Climatology, 54, 161-188.
73. Tobin, C.; Nicotina, L; Parlange, M.B.; Berne, A.; Rinaldo, A. (2011) “Improved interpolation of meteorological forcings for hydrologic applications in a Swiss Alpine region”, Journal of Hydrology, 401, 77-89.
74. Tobler, W.R. (1970) “Computer movie simulating urban growth in the Detroit region”, Economic Geography, 46, 234-240.
75. Türkeş, M. (1995) “Türkiye‟de yıllık ve mevsimlik yağış verilerindeki eğilimler ve dalgalanmalar”, Türkiye Ulusal Jeodezi- Jeofizik Birliği (TUJJB) ve Türkiye Ulusal Fotogrametri ve Uzaktan Algılama Birliği Kongreleri Bildiri Kitabı, Harita Genel Komutanlığı, Ankara.
76. Türkeş, M. (1996) “Spatial and temporal patterns analyses of rainfall variations in Turkey”, International Journal of Climatology, 16, 1057-1076.
77. Türkeş, M., (1998a) “İklimsel degişebilirlik açısından Türkiye‟de çölleşmeye eğilimli alanlar”, DMI/ITÜ II. Hidrometeoroloji Sempozyumu Bildiri Kitabı, Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü, Ankara.
78. Türkeş, M. (1998b) “Influence of geopotential heights, cyclone frequency and southern oscillation on rainfall variations of Turkey”, International Journal of Climatology, 18, 649-680.
79. Türkeş, M. (1999) “Vulnerability of Turkey to desertification with respect to precipitation and aridity conditions”, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 23, 363-380.
80. Türkeş, M. (2000) “El nino-güneyli salınım ekstremleri ve Türkiye‟deki yağış anomalileri ile ilişkileri”, TMMOB Çevre Bilim ve Teknoloji, 1, 1-13.
81. Türkeş, M.; Sümer, U.M.; Kılıç, G. (2002) “Persistence and Peridicity in the precipitation series of Turkey and associations with 500hPa geopotantial heights”, Climate Research, 21, 59-81.
82. Türkeş, M.; Erlat, E. (2003) Precipitation changes and variability in Turkey linked to the North Atlantic Oscillation during the period 1930-2000”, International Journal of Climatology, 23, 1771-1796.
83. Türkeş, M.; Erlat, E. (2005) “Climatological responses of winter precipitation in Turkey to variability of the North Atlantic Oscillation during the period 1930-2001”, Theoretical and Applied Climatology, 81, 45-69.
84. Türkeş, M.; Erlat, E. (2006) “Influences of the North Atlantic Oscillation on precipitation variability and changes in Turkey”, Nuovo Cimento Della Societa Italiana Di Fisica C-Geophysics and Space Physics, 29, 117-135.
85. Türkeş, M.; Koç, T.; Sarış, F. (2007) “Türkiye‟nin yağış toplamı ve yoğunluğu dizilerindeki değişikliklerin ve eğilimlerin zamansal ve alansal çözümlemesi”, Coğrafi Bilimler Dergisi, 5(1), 57-73.
86. Webster, R. (1985) “Quantitative spatial analysis of soil in the field”, Advances in Soil Science, 3, 1-70.
87. Wilmott, C.J. (1982) “Some comments on the evaluation of model performance”, Bulletion of the American Meteorological Society, 63, 1309-1313.
88. Wong, A.D.; Lee, J. (2005) Statistical Analysis of Geographic Information with ArcView and ArcGIS, John Wiley&Sons, Inc Hoboken, NJ.
89. Wotling, G.; Bouvier, Ch.; Danloux, J.; Fritsch, M.J. (2000) “Regionalization of extreme precipitation distribution using the principal components of the topographical environment”, Journal of Hydrology, 233(1-4), 86-101.
90. Vicente-Serrano, S.M.; Saz-Sánchez, M.A.; Cuadrat, J.M. (2003) “Comparative analysis of interpolation methods, in the middle Ebro Valley (Spain): application to annual precipitation and temperature”, Climate Research, 24, 161-180.
91. Yin, Z.Y.; Zhang, X.; Liu, X.; Colella, M.; Chen, X. (2008) “An assessment of the biases of satellite rainfall estimates over the Tibetan plateau and correction methods based on topographic analysis”, Journal of Hydrometeorology, 9, 301- 417.
92. Yozgatligil, C.; Aslan, S.; Iyigun, C.; Batmaz, İ. (2013) “Comparison of missing value imputation methods in time series: the case of Turkish meteorological data”, Theoretical and Applied Climatology, 112, 143-167.