Determination of Drought and Wet Periods of the Black Sea Region Using SPI Method

Abstract

The Black Sea region is the region with the highest rainfall in Türkiye. However, precipitation in the Black Sea region varies considerably both between years and within the region. This situation causes droughts in the region, with dry and wet periods following each other. This study aimed to determine the drought and wet periods in the Black Sea region according to the annual and 12-month SPI values. Standardized Precipitation Index (SPI) values were calculated according to the average precipitation data of 26 meteorology stations selected from the region between 1960 and 2020. The trends of the identified drought and wet periods were determined using Mann-Kendall trend analysis. In addition, using the heat map, the drought and wet periods of the Black Sea Region were determined by dividing coastal and inland areas. The analysis results determined that 1966, 1969, 1974-1977, 1984-1986, 1993-1994, 2006-2007, and 2019-2020 received less rainfall than normal and many stations had severe drought. It shows that 1967, 1988, 1996-1997, 1999, 2009, and 2016 received more precipitation than normal, that is, it has a humid character. According to the Mann-Kendall trend analysis results, it was not found that there was a decreasing trend in the coastal areas of the Western Black Sea Region. However, there was no significance in the decrease. Although there is an increasing trend in the Central and Eastern Black Sea region, this trend was found to be significant in some stations. Due to the landforms of the region, it was determined that there was not a general dry period or a general wet period and that the drought and wet periods differed in the east-west direction and the coastal-inland areas.

Keywords

• Drought
• Wet
• Black Sea Region
• Mann-Kendall
• Heat Map
• SPI

Karadeniz Bölgesi’nde Kurak ve Nemli Dönemlerin SPI Yöntemi Kullanılarak Belirlenmesi

Abstract

Karadeniz bölgesi Türkiye’nin en çok yağış alan bölgesidir. Ancak Karadeniz Bölgesi’nde yağışlar hem yıllar arasında hem de bölge içerisinde önemli farklılıklara sahiptir. Bu durum bölgede kuraklıkların yaşanabilmesine ve kurak-nemli dönemlerin birbirini takip etmesine neden olmaktadır. Bu çalışmada yıllık ve 12 aylık SPI değerlerine göre Karadeniz bölgesinde yaşanan kurak ve nemli dönemlerin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bölge genelinden seçilen 26 istasyonun 1960-2020 yılları arasındaki ortalama yağış verilerine göre standardize yağış indeksi (SPI) değerleri hesaplanmıştır. Tespit edilen kurak ve nemli dönemlerin eğilimleri Mann-Kendall trend analizi kullanılarak tespit edilmiştir. Ayrıca ısı haritası kullanılarak Karadeniz Bölgesi kıyı ve iç kesimleri olarak ayrılıp kurak ve nemli dönemleri saptanmıştır. Analiz sonuçlarına göre 1966, 1969, 1974-1977, 1984-1986, 1993-1994, 2006-2007 ve 2019-2020 yıllarının normalden daha az yağış aldığı ve birçok istasyonun kuraklığı şiddetli şekilde olduğu saptanmıştır. 1967, 1988, 1996-1997, 1999, 2009 ve 2016 yıllarının ise normalden fazla yağış aldığını yani nemli karakterde olduğunu göstermektedir. Mann-Kendall trend analiz sonuçlarına göre Batı Karadeniz Bölgesinin kıyı kesimlerinde azalma eğilimde olduğu saptanmamıştır. Fakat azalışta anlamlılık bulunamamıştır. Orta ve Doğu Karadeniz bölgesinde ise artış eğilimi göstermekle birlikte bu eğilim bazı istasyonlarda anlamlı bulunmuştur. Bölgenin yer şekilleri dolayısıyla genel bir kurak ve genel bir nemli dönem olmadığı, doğu-batı doğrultusu ve kıyı-iç kesimlerde kurak ve nemli dönemlerin farklılık gösterdiği saptanmıştır.

Keywords

• Kuraklık
• Nemlilik
• Karadeniz Bölgesi
• Mann-Kendall
• Isı Haritası
• SPI

References

1. Akbaş, A. (2014a). Türkiye üzerindeki önemli kurak yıllar. Coğrafi Bilimler Dergisi, 12(2), 101–118.
2. Akbaş, A. (2014b). Türkiye’de klimatolojik kuraklık olasılıklarının dağılışı. Türk Coğrafya Dergisi, 63, 1–8. https://doi.org/10.17211/tcd.08368
3. Akkemik, Ü., Dağdeviren, N., & Aras, A. (2005). A preliminary reconstruction (AD 1635–2000) of spring precipitation using oak tree rings in the western Black Sea region of Turkey. International Journal of Biometeorology, 49(5), 297–302.
4. Aksu, H., Cetin, M., Aksoy, H., Alsenjar, O., Yildirim, I., & Yaldız, S. G. (2021, May 31 – June 11). Climate change-induced variabilities in climate extremes on the Black Sea region of Turkey [Congress presentation]. 55th Canadian Meteorological and Oceanographic Society (CMOS) Congress, Vancouver, Canada.
5. Akramy, A. (2020). Erzincan, Bayburt ve Gümüşhane illerinde faktör analizi ve güvenilirlik yöntemi ile hidrolojik ve meteorolojik kuraklık değerlendirmesi [Yüksek lisans tezi, Erzincan Binali Yıldırım Üniversitesi]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi
6. Aydın, S., Şimşek, M., Çetinkaya, G., & Öztürk, M. Z. (2019, 20–22 Haziran). Erinç Yağış Etkinlik İndisi’ne göre belirlenen Türkiye iklim bölgelerinin rejim karakteristikleri [Bildiri Sunumu]. 1. İstanbul Uluslararası Coğrafya Kongresi, İstanbul, Türkiye.
7. Aziz, R., Yucel, I., & Yozgatligil, C. (2020). Nonstationarity impacts on frequency analysis of yearly and seasonal extreme temperature in Turkey. Atmospheric Research, 238, Article 104875. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.104875
8. Bakanoğulları, F. (2020). SPEI ve SPI indisleri kullanılarak İstanbul-Damlıca Deresi havzasında kuraklık şiddetlerinin analizi. Toprak Su Dergisi, 9(1), 1–10.

9. Bakanoğulları, F., Bahar, E., Kıvrak, C., & Gür, M. (2022). Assessment of meteorological and agricultural drought analysis in Kırklareli province. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 19(4), 756–768.
10. Balov, M. N., & Altunkaynak, A. (2020). Spatio-temporal evaluation of various global circulation models in terms of projection of different meteorological drought indices. Environmental Earth Sciences, 79(6), Article 126. https://doi.org/10.1007/s12665-020-8881-0
11. Baltaci, H. (2017). Meteorological analysis of flash floods in Artvin (NE Turkey) on 24 August 2015. Natural Hazards and Earth System Sciences, 17(7), 1221–1230.
12. Beden, N., Demir, V., & Keskin, A. Ü. (2019). Samsun İlinde SPI ve PNI Kuraklık İndekslerinin Eğilim Analizi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 22(64), 107–116.
13. Caglayan, A., Saber, R., & Isik, V. (2021, October 10–14). Assessment of August 11, 2021 Bozkurt Flood Disaster With Sentinel-2 Satellite Images, Turkey [Congress presentation]. 11th Congress of the Balkan Geophysical Society, Bucharest, Romania.
14. Celik, H. E., Aydin, A., Ozturk, T., & Dagci, M. (2006). Causes of the 1998 Bartin river flood in Western Black Sea region of Turkey. Journal of Environmental Biology, 37(2), 341–348.
15. Cookson, E., Hill, D. J., & Lawrence, D. (2019). Impacts of long term climate change during the collapse of the Akkadian Empire. Journal of Archaeological Science, 106, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jas.2019.03.009
16. Çelik, M. A. (2020). Kuraklık araştırmalarında yeni eğilimler, kullanılan teknikler ve kavramlar üzerine bibliyometrik ağ analizi. International Journal of Geography and Geography Education, 25(42), 602–630.
17. Çiçek, İ., & Duman, N. (2015). Seasonal and annual precipitation trends in Turkey. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 10(2), 77–84.
18. Dellal, İ., & McCarl, B. A. (2010). The economic impacts of drought on agriculture: The case of Turkey. In A. Lopez–Francos (Ed.), Economics of Drought and Drought Preparedness in a Climate Change Context (pp. 169–174). CIHEAM Options Méditerranéennes.
19. Demir, V., & Kisi, O. (2016, May 19–21). Comparison of Mann-Kendall and innovative trend method (Şen trend) for monthly total precipitation (Middle Black Sea Region, Turkey) [Conference presentation]. 3rd International Balkans Conference on Challenges of Civil Engineering, Epoka University, Albania.
20. Demir, V., Zeybekoğlu, U., Beden, N., & Ülke Keskin, A. (2018, September 12–14). Homogeneity and trend analysis of long term temperatures in the Middle Black Sea Region [Congress presentation]. 13th International Congress on Advances in Civil Engineering, İzmir, Türkiye.
21. Demir, V. (2018). Karadeniz Bölgesi yağışlarının trend analizi [Yüksek lisans tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi
22. Deniz Öztürk, Y., & Ünlü, R. (2022). Türkiye’de Yapılan Kuraklık Analiz Çalışmaları Üzerine Bir Derleme. Afet ve Risk Dergisi, 5(2), 669–680.
23. Dikici, M. (2020). Drought analysis with different indices for the Asi Basin (Turkey). Scientific Reports, 10, Article 20739. https://doi.org/10.1038/s41598-020-77827-z
24. Erler, M. Y. (1997). Ankara ve Konya Vilayetlerinde Kuraklık ve Kıtlık (1845 ve 1874 Yılları) [Doktora tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/giris.jsp
25. Ertuğrul, M., Varol, T., & Özel, H. B. (2014). Climate changes in prospect for the West Black Sea Forests. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 16(23), 35–43.
26. Ercanoglu, M., & Gokceoglu, C. (2004). Use of fuzzy relations to produce landslide susceptibility map of a landslide prone area (West Black Sea Region, Turkey). Engineering Geology, 75(3–4), 229-250.
27. Eslamian, S., & Eslamian, F. A. (2017). Handbook of drought and water scarcity: Environmental impacts and analysis of drought and water scarcity. CRC Press.
28. Guttman, N. B. (1999). Accepting the standardized precipitation index: a calculation algorithm. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 35(2), 311–322.
29. Hadi, S. J., & Tombul, M. (2018). Long-term spatiotemporal trend analysis of precipitation and temperature over Turkey. Meteorological Applications, 25(3), 445–455.
30. Kadıoğlu, M. (2008). Kuraklık Kıranı Risk Yönetimi. In M. Kadıoğlu & E. Özdamar (Eds.), Afet Zararlarını Azaltmanın Temel İlkeleri (pp. 277-300). JICA Türkiye Ofisi, Ankara.
31. Komuscu, A. U. (1999). Using the SPI to analyze spatial and temporal patterns of drought in Turkey. Drought Network News, 49, 7-13.
32. Komuscu, A. U. (2001). An analysis of recent drought conditions in Turkey in relation to circulation patterns. Drought Network News, 13(2–3), 5-6.
33. Mann, H. B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometrica: Journal of the Econometric Society, 13(3), 245–259.
34. Kendall, M. G. (1948). Rank correlation methods. Charles Griffin & Company Limited.
35. Mondal, A., Kundu, S., & Mukhopadhyay, A. (2012). Rainfall trend analysis by Mann-Kendall test: A case study of north-eastern part of Cuttack district, Orissa. International Journal of Geology, Earth and Environmental Sciences, 2(1), 70–78.
36. McKee, T. B., Doesken, N. J., & Kleist, J. (1993, January 17–22). The relationship of drought frequency and duration to time scales [Conference presentation]. 8th Conference on Applied Climatology, Anaheim, CA.
37. Nefeslioglu, H. A., Duman, T. Y., & Durmaz, S. (2008). Landslide susceptibility mapping for a part of tectonic Kelkit Valley (Eastern Black Sea region of Turkey). Geomorphology, 94(3-4), 401–418.
38. Oğuz, K., Pekin, M. A., & Çamalan, G. (2021). Muğla İlinde 1960-2018 Dönemi Kuraklık Analizi. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 7(1), 89–100.
39. Özocak, M., Akay, A. O., Esin, A. İ., Yurtseven, H., & Akgül, M. (2023). A new framework to spatial and temporal drought analysis for 1990–2020 period with Mann–Kendall and innovative trend analysis methods in Turkey. Natural Hazards, 120, 1463–1517.
40. Özdemir, M. A. (2004). İklim değişmeleri ve uygarlık üzerindeki yansımalarına ilişkin bazı örnekler. Afyon Kocatepe Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 6(2), 173–192.
41. Öztürk, M. Z., Çetinkaya, G., & Aydın, S. (2017). Köppen-Geiger iklim sınıflandırmasına göre Türkiye’nin iklim tipleri. Coğrafya Dergisi, 35, 17–27.
42. Partal, T., & Yavuz, E. (2020). Orta Karadeniz ve Doğu Karadeniz Bölgesinde kuraklık indisleri üzerine trend analizi uygulanması. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 11(2), 851–861.
43. Salehnia, N., Alizadeh, A., Sanaeinejad, H., Bannayan, M., Zarrin, A., & Hoogenboom, G. (2017). Estimation of meteorological drought indices based on AgMERRA precipitation data and station-observed precipitation data. Journal of Arid Land, 9, 797–809.
44. Salmi, T., Määttä, A., Anttila, P., Ruoho-Airola, T., & Amnell, T. (2002). Detecting trends of annual values of atmospheric pollutants by the Mann-Kendall test and Sen’s slope estimates. MAKESENS–The excel template application. Finnish Meteorological Institute, Helsinki.
45. Saplıoğlu, K., & Çoban, E. (2013, 26–27 Eylül). Karadeniz bölgesi yağış serilerinin trend analizi [Bildiri sunumu]. VII. Ulusal Hidroloji Kongresi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta.
46. Serkendiz, H., Tatlı, H., Kılıç, A., Çetin, M., & Sungur, A. (2024). Analysis of drought intensity, frequency and trends using the SPEI in Turkey. Theoretical and Applied Climatology, 155, 2997–3012.
47. Simsek, O., Yildiz-Bozkurt, S., & Gumus, V. (2024). Analysis of meteorological drought with different methods in the Black Sea region, Turkey. Acta Geophysica, 72, 1927–1943. https://doi.org/10.1007/s11600-023-01099-0
48. Sönmez, F. K., Kömüscü, A. U., Erkan, A., & Turgu, E. (2005). An analysis of spatial and temporal dimension of drought vulnerability in Turkey using the standardized precipitation index. Natural Hazards, 35(2), 243–264.
49. Şahin Kürşad, M., & Nartgün, Z. (2015). Kayıp veri sorununun çözümünde kullanılan farklı yöntemlerin ölçeklerin geçerlik ve güvenirliği bağlamında karşılaştırılması. Eğitimde ve Psikolojide Ölçme ve Değerlendirme Dergisi, 6(2), 254–267.
50. Tatlı, H. (2017, November 1–4). Classification of the Köppen and Holdridge life zones with respect to the climate scenarios-Rcp4.5 over Turkey [Symposium presentation]. 8th Atmospheric Sciences Symposium, İstanbul, Turkey.
51. Tayanç, M., İm, U., Doğruel, M., & Karaca, M. (2009). Climate change in Turkey for the last half century. Climatic Change, 94(3-4), 483–502.
52. Tramblay, Y., Koutroulis, A., Samaniego, L., Vicente-Serrano, S. M., Volaire, F., Boone, A., & Polcher, J. (2020). Challenges for drought assessment in the Mediterranean region under future climate scenarios. Earth-Science Reviews, 210, Article 103348. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103348
53. Trenberth, K. E. (2005). The impact of climate change and variability on heavy precipitation, floods, and droughts. In M. G. Anderson & J. J. McDonnell (Eds.), Encyclopedia of Hydrological Sciences (pp. 1–11). John Wiley & Sons, Ltd.
54. Türkeş, M. (1996). Meteorological drought in Turkey: A historical perspective, 1930–93. Drought Network News, 84. https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1084&context=droughtnetnews
55. Türkeş, M., & Tatlı, H. (2009). Use of the standardized precipitation index (SPI) and a modified SPI for shaping the drought probabilities over Turkey. International Journal of Climatology: A Journal of the Royal Meteorological Society, 29(15), 2270–2282.
56. Türkeş, M. (2004). İklimsel ve atmosferik verilerin türdeşlik ve rasgelelik çözümlemesi. Temel İstatistik Kursu Notları. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü, Araştırma ve Bilgi İşlem Dairesi Başkanlığı, Ankara.
57. Şen, Ö. L., Göktürk, O. M., & Dalfes, H. N. (2013). İklim verisi kullanıcılarının karşılaştığı zorluklar ve çözüm önerileri. 15 Ekim 2023’te https://havadelisi.files.wordpress.com/2013/07/ek-3_teknikrapor.pdf adresinden alındı.
58. Ünlü, M. (2012). XIX. yüzyıl sonlarında Çarşamba'da kuraklık. Karadeniz İncelemeleri Dergisi, 6(12), 125–132.
59. Wilhite, D. A., & Buchanan-Smith, M. (2005). Drought as hazard: understanding the natural and social context. In D. A. Wilhite & R. S. Pulwarty (Eds.), Drought and water crises: Science, technology, and management issues (pp. 29–48). CRC Press.
60. Wilhite, D. A., & Pulwarty, R. S. (2017). Drought and water crises: Integrating science, management, and policy. CRC Press.
61. Yavuz, E. (2020). Karadeniz bölgesinde bazı kuraklık indisleri üzerine trend analizi uygulanması [Yüksek lisans tezi, Ondokuz Mayıs Üniversitesi]. YÖK Ulusal Tez Merkezi. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/giris.jsp
62. Yetmen, H. (2014, 23–24 Ekim). Orta Karadeniz’deki kuraklık olaylarının karakteristikleri [Bildiri sunumu]. Ankara Üniversitesi Türkiye Coğrafyası Araştırma ve Uygulama Merkezi (TÜCAUM) VIII. Coğrafya Sempozyumu, Ankara, Türkiye.
63. Yılmaz, C. B., Demir, V., & Sevimli, M. F. (2021). Doğu Karadeniz Bölgesi meteorolojik parametrelerinin trend analizi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 24, 489–496.
64. Yüksek, Ö., Kankal, M., & Üçüncü, O. (2013). Assessment of big floods in the Eastern Black Sea Basin of Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 185, 797–814.
65. Zhao, S., Guo, Y., Sheng, Q., & Shyr, Y. (2014). Advanced heat map and clustering analysis using Heatmap3. BioMed Research International, 2014, Article 986048. https://doi.org/10.1155/2014/986048