Long-term Wind and Wave Climate Variations in the Sakarya River Delta

Abstract

Global projections on the concept of climate change mainly indicate global warming, sea level rise and increases in climatic extremes. The main drivers of coast evolution related to climate change are rising sea levels, wave characteristics, storm frequency/intensity, and river floods. Delta plains are densely populated, and large numbers of people are often impacted by external terrestrial influences (e.g., river floods) and/or external marine influences (storm surges, erosion). Estuaries and deltas are widely recognized as highly vulnerable to the impacts of climate change, particularly sea-level rise and changes in runoff. The goal of this study is to evaluate the impact of climate change on wind and wave climate in a deltaic area. Sakarya River Delta system, a vulnerable deltaic area with a shoreline stretching approximately 80 km in Karasu province on the Black Sea coast of Turkey, is selected as a case study. Long-term wind and wave data in the study area were obtained from the NOAA CFSRR database and validated with measurements at different locations over the Black Sea. Annual mean wind speed and significant wave height show long-term decreasing trends (~4% and ~11%, respectively). Maximum wind speed and significant wave height tend to increase by 12% and 6%, respectively. In addition to the storm intensities, storm frequency also increases significantly (up to a 100% increase). The results of this study indicate that long-term changes in wind and wave climate in the study area are broadly consistent with climate change indicators.

Keywords

• Climate change,Wave climate,Wind climate,Sakarya River,River delta

Sakarya Nehri Deltası’nda Uzun Süreli Rüzgar ve Dalga İklimi Değişimleri

Abstract

İklim değişikliği ile ilgili küresel tahminler küresel ısınma, deniz suyu seviyesinde yükselme ve ekstrem iklimsel olaylarda artışı işaret etmektedir. İklim değişikliği sonucunda kıyılardaki değişimde etkili temel değişkenler deniz suyu seviyesinde yükselme, dalga özellikleri, fırtına sıklığı/şiddeti ve akarsu taşkınlarıdır. Delta düzlükleri yoğun nüfusa sahip bölgelerdir ve çok sayıda insan karasal (akarsu taşkınları gibi) ve/veya denizel (fırtına kabarmaları, erozyon) dış etkenlerin etkisi altında kalmaktadır. Haliç ve deltalar, özellikle deniz seviyesi yükselmesi ve yağışlardaki değişimler gibi iklim değişikliği etkilerine karşı yüksek derecede kırılgan bölgeler olarak gösterilmektedirler. Bu çalışmada, bir akarsu delta bölgesinde iklim değişikliğinin, rüzgar ve dalga iklimi üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Pilot bölge olarak Karadeniz kıyı kesimi içinde Karasu kıyısında yaklaşık 80 km kıyı şeridine sahip kırılgan bir delta bölgesi olan Sakarya Nehri Deltası seçilmiştir. Çalışma bölgesine ait uzun süreli rüzgar ve dalga verisi NOAA CFSRR veri tabanından elde edilmiş ve bu veriler Karadeniz’de farklı konumlarda ölçülmüş veriler ile doğrulanmıştır. Yıllık ortalama değerler incelendiğinde rüzgar hızlarında ve belirgin dalga yüksekliklerinde uzun dönemde azalma (sırasıyla ~%4 ve ~%11) olduğu görülmüştür. En büyük rüzgar hızı ve belirgin dalga yüksekliğinde ise sırasıyla yaklaşık %12 ve %6 artış eğilimi olmaktadır. Fırtına şiddetlerinin yanında sıklığının da belirgin bir şekilde arttığı (ortalama %100’e varan artış) görülmektedir. Bu çalışma sonucunda, bölgenin rüzgar ve dalga iklimindeki uzun dönemli değişimlerin iklim değişikliği göstergeleri ile büyük ölçüde uyum gösterdiği belirlenmiştir.

Keywords

• İklim değişikliği,Dalga iklimi,Rüzgar iklimi,Sakarya Nehri,Akarsu deltası

References

1. Allen, M. R., Ingram, W. J. 2002. Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle. Nature, 419 (6903), 224–232, doi: 10.1038/ nature01092.
2. IPCC 2007. Climate Change 2007: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Editörler: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., Tignor, M., Miller, H.L. Cambridge University Press, Cambridge, U.K. 996 pp.
3. Meehl, G.A., Stocker, T.F., Collins, W.D., Friedlingstein, P., Gaye, A.T., Gregory, J.M., Kitoh, A., Knutti, R., Murphy, J.M., Noda, A., Raper, S.C.B., Watterson, I.G., Weaver, A.J., Zhao, Z.-C. 2007. Global climate projections. Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Editörler: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., Tignor, M., Miller, H.L. pp. 749–845, Cambridge Univ. Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
4. Allan, R. P., Soden, B. J. 2008. Atmospheric warming and the amplification of precipitation extremes, Science, 321(5895), 1481–1484, doi:10.1126/science.1160787.
5. Lima, F.P., Wethey, D.S. 2012. Three decades of high-resolution coastal sea surface temperatures reveal more than warming, Nature Communications, 3, 704, doi:10.1038/ncomms1713.
6. Wong, P.P., Losada, I.J., Gattuso, J.-P., Hinkel, J., Khattabi, A., McInnes, K.L., Saito, Y., Sallenger, A. 2014. Coastal systems and low-lying areas. Climate Change 2014: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part A: Global and Sectoral Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Editörler: Field, C.B., V.R. Barros, D.J. Dokken, K.J. Mach, M.D. Mastrandrea, T.E. Bilir, M. Chatterjee, K.L. Ebi, Y.O. Estrada, R.C. Genova, B. Girma, E.S. Kissel, A.N. Levy, S. MacCracken, P.R. Mastrandrea, and L.L. White. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 361-409.
7. Nicholls, R.J., 2010. Impacts of and responses to sea-level rise. Understanding Sea-level Rise and Variability. Editörler: Church, J.A., Woodworth, P.L. , Aarup, T., Wilson W.S. Wiley-Blackwell, Chichester, UK and Hoboken, NJ, USA, pp. 17-51.
8. McLeod, E., Poulter, B., Hinkel, J., Reyes, E., Salm, R. 2010. Sea-level rise impact models and environmental conservation: a review of models and their applications, Ocean and Coastal Management, 53(9), 507-517.

9. Shirkhani, H., Seidou, O., Mohammadian, A., Qiblawey, H. 2015. Projection of Significant Wave Height in a Coastal Area under RCPs Climate Change Scenarios, Nat. Hazards Rev., 10.1061/(ASCE)NH.1527-6996.0000192, 04015016.
10. Alpar, B., 2009. Vulnerability of Turkish coasts to accelerated Sea level rise, Geomorphology, 107:58–63.
11. Ericson, J.P., Vorosmarty, C.J., Dingman, S.L., Ward, L.G., Meybeck, M. 2006. Effective sea-level rise and deltas: causes of change and human dimension implications, Global Planet Change, 50, 63-82.
12. Foufoula-Georgiou, E., Syvitski, J., Paola, C., Hoanh, C.T., Tuong, P., Vörösmarty, C., Kremer, H., Brondizio, E., Saito, Y., Twilley, R. 2011. International Year of Deltas 2013: a proposal, Eos, Transactions of American Geophysical Union, 92, 340-341.
13. Tsimplis, M.N., Shaw, A. 2010. Seasonal sea level extremes in the Mediterranean Sea and at the Atlantic European coasts, Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 10, 1457–1475.
14. Sanchez-Arcilla, A., Jimenez, J.A., Valdemoro, H.I., Gracia, V. 1998. Implications of climatic change on Spanish Mediterranean low-lying coasts: the Ebro Delta case, Journal of Coastal Research, 24, 306-316.
15. Simeoni, U., Corbau, C. 2009. A review of the Delta Po evolution (Italy) related to climatic changes and human impacts, Geomorphology, 107, 64-71.
16. Nageswara Rao, K., Subraelu, P., Naga Kumar, K.Ch.V., Demudu, G., Hema Malini, B., Rajawat, A.S., Ajai, 2010. Impacts of sediment retention by dams on delta shoreline recession: evidences from the Krishna and Godavari deltas, India, Earth Surface Processes and Landforms, 35, 817-827.
17. Yang, S.L., Milliman, J.D., Li, P., Xu, K. 2011. 50,000 dams later: erosion of the Yangtze River and its delta, Global and Planetary Change, 75, 14-20.
18. Chu, Z.X., Sun, X.G., Zhai, S.K., Xu, K.H. 1996. Changing pattern of accretion/ erosion of the modern Yellow River (Huanghe) subaerial delta, China: based on remote sensing images, Marine Geology, 227, 13-30.
19. Barras, J.A., Bernier, J.C., Morton, R.A. 2008. Land Area Change in Coastal Louisiana: A Multidecadal Perspective (from 1956 to 2006). Pamphlet to accompany U.S. Geological Survey Scientific Investigations Map 3019, scale 1:250,000, USGS, Reston, VA, USA, 14 pp.
20. Syvitski, J.P.M., Kettner, A.J., Overeem, I., Hutton, E.W.H., Hannon, M.T., Brakenridge, G.R., Day, J., Vörösmarty, C., Saito, Y., Giosan, L., Nicholls, R.J. 2009. Sinking deltas due to human activities, Nature Geoscience, 2, 681-686.
21. Katsman, C.A., Beersma, J.J., van den Brink, H.W., Church, J.A., Hazeleger, W., Kopp, R.E., Kroon, D., Kwadijk, J., Lammersen, R., Lowe, J., Oppenheimer, M., Plag, H.P., Ridley, J., von Storch, H., Vaughan, D.G., Vellinga, P., Vermeersen, L.L.A., van de Wal, R.S.W., Weisse, R. 2011. Exploring high-end scenarios for local sea level rise to develop flood protection strategies for a low-lying delta – the Netherlands as an example, Climate Change, 109, 617-645.
22. Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü, Hidrolik Etüdler İdaresi Bşk. (2011). http://www.eie.gov.tr/turkce/YEK/HES/hidroloji/12sakarya.html, Erişim tarihi: 14 Eylül 2011.
23. Munsuz, N., Ünver, İ, Çaycı G. 1999. Türkiye Suları. Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Yayın no: 1505, Ders Kitabı: 459. Ankara.
24. TMMOB (Türk Mühendis ve Mimar Odaları Birliği) 2012. Karasu Kıyı Alanı Kıyı Daralması Raporu. Mattek Basım Yayın, Ankara.
25. Yuksel, Y., Tan, R. I., Ayat, B., Guner, H. A., Aydogan, B., Seker, D. 2013. A Coastal Management Case Study in Karasu at Black Sea Region, Proceedings of the Twenty-Third (2013) International Offshore and Polar Engineering (ISOPE).
26. Saha, S., et al. 2011, updated monthly. NCEP Climate Forecast System Version 2 (CFSv2) Selected Hourly Time-Series Products. Research Data Archive at the National Center for Atmospheric Research, Computational and Information Systems Laboratory. https://doi.org/10.5065/D6N877VB. Erişim Tarihi: 5 Ekim 2018.
27. Deniz, A. (2008). Beaufort (Bofor) Rüzgar Iskalası. Meteoroloji Genel Müdürlüğü. https://www.mgm.gov.tr/FILES/genel/makale/beaufort.pdf
28. AYGM (2016). Kıyı Yapıları - Planlama ve Tasarım Teknik Esasları, T.C. Ulaştırma, Haberleşme ve Denizcilik Bakanlığı Altyapı Yatırımları Genel Müdürlüğü.
29. Chawla, A., Spindler, D.M. and Tolman, H.L. 2012. Validation of a thirty year wave hindcast using the Climate Forecast System Reanalysis winds. Ocean Modelling. doi:10.1016/j.ocemod.2012.07.005.
30. Tolman, H.L. 2009. User manual and system documentation of WAVEWATCH III TM version 3.14. Tech. Note 276, NOAA/NWS/NCEP/MMAB.