Long-term coastline changes and climate relationship in Burdur Lake: Spatio-temporal trends and forecasts

Abstract

Burdur Lake is one of the important wetlands biotope located in the region called the Göller region in the south of Turkey. In many studies carried out within the scope of Burdur Lake, it is stated that the lake mirror had been in a rapid contraction trend in recent years. The aim of this study is to reveal the spatial changes in the Burdur Lake water surface area (1986- 2022) and to make predictions about the future state of the lake mirror by using some climate parameters and also examining the trends in the long-year climate records in the Burdur Lake Basin. The estimations in climate parameters were made using Mann-Kendall Trend test and 10-year prediction values of climate parameters estimated by SARIMA method. The coastal changes of Burdur Lake were carried out with the DSAS tool. A statistically significant trend wasn’t determined in the monthly and annual precipitation data at the Burdur Lake station. On the other hand, a significant increase trend in monthly and annual maximum temperatures was tested. In the predictions made with the SARIMA method, an increase of 1 degree was determined in the monthly and annual maximum temperatures. According to the estimates here, it is predicted that Burdur Lake will narrow by 17 km2 in 10 years. In this study, it was concluded that the shrinkage of the lake surface will continue and climate change will accelerate this change by creating a feedback mechanism.

Keywords

• Burdur Lake
• Climatic trends
• Climatic forecasting
• SARIMA
• DSAS
• Shoreline changes

Burdur Gölü’nde uzun dönemli kıyı çizgisi değişimleri ve iklim ilişkisi: Zamansal-mekânsal eğilimler ve tahminler

Öz

Burdur Gölü, Türkiye’nin güneyinde Toros Dağları kuşağının batısında Göller yöresi olarak adlandırılan bölgede yer alan pek çok türe ev sahipliği yapan önemli sulak alanlarından biridir. Burdur Gölü kapsamında yürütülen birçok çalışmada göl aynasının son yıllarda hızlı bir daralma eğilimi içerisinde olduğu ifade edilmektedir. Bu çalışmanın amacı Burdur Gölü su yüzey alanındaki mekânsal değişimleri (1986-2022) ortaya koymak ve Burdur Gölü Havzasında uzun yıllık iklim kayıtlarındaki (1940-2021) eğilimlerin mevcut kayıtlar üzerinden incelenerek göl aynasının gelecekteki durumu hakkında tahminler yürütmektir. Bu amaçla iklim parametrelerindeki tahminler Mann-Kendall Eğilim testi ile iklim parametrelerinin 10 yıllık tahmini değerleri SARIMA yönteminden yararlanılarak gerçekleştirilmiştir. Burdur Gölü kıyı değişimleri ve bu değişimlere yönelik tahmin uygulamaları da DSAS aracı ile gerçekleştirilmiştir. Burdur Gölü’ne en yakın meteoroloji istasyona ait aylık ve yıllık veriler incelendiğinde yıllık ve aylık yağış miktarında istatistiksel olarak anlamlı eğilimler belirlenmemiştir. Diğer yandan aylık ve yıllık maksimum sıcaklık verilerinde anlamlı artış eğilimi test edilmiştir. İklim parametreleri kapsamında SARIMA yöntemi ile yapılan tahminlerde aylık maksimum ve aylık ortalama sıcaklıklarda 10 yıl ileride yaklaşık 1 C0’lik artış olacağı öngörülmüştür. Burdur Gölü kıyı çizgisi değişimleri ile yapılan analizlere göre su yüzey alanındaki daralmanın 10 yıl sonra bugünkü ayna alanının 17 km2 daha daralacağı tahmin edilmektedir. Bu çalışmada göl yüzeyindeki daralmanın devam edeceği ve iklim değişikliğinin bir geri besleme mekanizması oluşturarak bu değişimi hızlandıracağı çıkarımına varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Burdur Gölü
• klimatik eğilimler
• klimatik tahminleme
• SARIMA
• DSAS
• kıyı çizgisi değişimi

References

1. Abujayyab, S. K., Almotairi, K. H., Alswaitti, M., Amr, S. S. A., Alkarkhi, A. F., Taşoğlu, E., & Hussein, A. M. (2021). Effects of meteorological parameters on surface water loss in Burdur Lake, Turkey over 34 Years Landsat Google Earth Engine time-series. Land, 10(12), 1301. https://doi.org/10.3390/land10121301
2. Aksoy, B. & Salman, O. (2020). ARIMA modeli kullanılarak Türkiye’deki iklim sıcaklıklarının geleceğe yönelik tahminlenmesi. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 12 (2) , 69-76. https://dergipark. org.tr/en/pub/utbd/issue/60337/770451
3. Alahacoon, N., Matheswaran, K., Pani, P. & Amarnath G. (2018). A decadal historical satellite data and rainfall trend analysis (2001–2016) for flood hazard mapping in Sri Lanka. Remote Sensing, 10 (448), 1-18. https://doi.org/10.3390/rs10030448
4. Albarqouni, M. M., Yagmur, N., Bektas Balcik, F., & Sekertekin, A. (2022). Assessment of Spatio-Temporal Changes in Water Surface Extents and Lake Surface Temperatures Using Google Earth Engine for Lakes Region, Türkiye. ISPRS International Journal of Geo-Information, 11(7), 407. https://doi.org/10.3390/ ijgi11070407
5. Alfa, N. I., Adeofun, C. O., & Ologunorisa, E. T. (2008). Assessment of changes in aerial extent of Lake Chad using satellite remote sensing data. Journal of Applied Sciences and Environmental Management, 12, 101–107. https://doi.org/10.4314/jasem. v12i1.55580
6. Altan Aydın, F. & Doğu, A. F. (2018). Göllerde seviye değişimleri ve nedenleri: Van Gölü Örneği. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi,(41),183-208. https://dergipark.org.tr/ tr/pub/yyusbed/issue/43563/533057
7. Atalay, İ. (2006). Toprak Oluşumu, Sınıflandırılması ve Coğrafyası. Meta Basım Matbaacılık: İzmir.
8. Ataol, M. (2010). Burdur Gölü’nde seviye değişimleri. Coğrafi Bilimler Dergisi, 8(1), 77-92. https://doi.org/10.1501/Cogbil_ 0000000105

9. Atayeter, Y., Temurçin, K. & Yayla, O. (2022). Baraj göllerinde arazi kullanım planlamasındaki çevresel hassasiyet analizi: Burdur Gölü Kapalı Havzasında Karaçal Baraj Gölü Havzası örneği. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Sosyal Bilimler Dergisi, (56), 221-238. https://dergipark.org.tr/tr/pub/sufesosbil/ issue/72433/1096149
10. Atayeter, Y. & Tokgözlü, A. (2014). Burdur merkez ilçesi’nin fiziki coğrafya özellikleri. İçinde Kadir Temurçin & Yıldırım Atayeter (Ed.) Burdur Merkez İlçesi’nin Coğrafi Etüdü (13-51). Burdur Belediyesi Kültür Yayınları.
11. Bahadır, M. & Saraçlı, S. (2010). Isparta’da ARIMA modeline göre sentetik iklim verilerinin analizi. Nature Sciences, 5(3), 163-177. https:// dergipark.org.tr/en/pub/nwsanature/issue/10850/130542
12. Başıbüyük, Z., Kavak, K. Ş., Yalçın, H., & Bozkaya, Ö. (2014). Kösedağ magmatiklerinde (Zara-Sivas) hidrotermal alterasyonla ilişkili kaolin yataklarının landsat etm+ görüntüsü kullanılarak belirlenmesi. Cumhuriyet Yerbilimleri Dergisi, 31(1–2), 5–13. https:// www.researchgate.net
13. Baig, M. R. I., Ahmad, I. A., Shahfahad, Tayyab, M., & Rahman, A. (2020). Analysis of shoreline changes in Vishakhapatnam coastal tract of Andhra Pradesh, India: an application of digital shoreline analysis system (DSAS). Annals of GIS, 26(4), 361-376. https:// doi.org/10.1080/19475683.2020.1815839
14. Bi, D., Dix, M., Marsland, S., O’farrell, S., Sullivan, A., Bodman, R., ... & Heerdegen, A. (2020). Configuration and spin-up of ACCESS- CM2, the new generation Australian community climate and earth system simulator coupled model. Journal of Southern Hemisphere Earth Systems Science, 70(1), 225-251. https://doi. org/10.1071/ES19040
15. Box, G. E., & Jenkins, G. M. (1976). Time series analysis: forecasting and control. Holden dsy. Inc. California.
16. Cengiz, T. M., & Kahya, E. (2011). Türkiye göl su seviyelerinin eğilim ve harmonik analizi. İTÜ DERGİSİ/d, 5(3). http://www.itudergi. itu.edu.tr/index.php/itudergisi_d/article/view/511
17. Cengil, B., & Ayan, H. Y. (2021). Burdur Havzasında sıcaklık ve yağış değişimleri ile iklim projeksiyonları. 5th International Symposium on Innovative Approaches in Smart Technologies. SETSCI Conference Proceedings 5 (1), 35-37. https://doi.org/10.36287/ setsci.5.1.007
18. Davraz, A., Sener, E., & Sener, S. (2019). Evaluation of climate and human effects on the hydrology and water quality of Burdur Lake, Turkey. Journal of African Earth Sciences, 158, 103569. https:// doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2019.103569
19. Divisekara, R. W., Jayasinghe, G. J. M. S. R., & Kumari, K. W. S. N. (2021). Forecasting the red lentils commodity market price using SARIMA models. SN Business & Economics, 1(1), 1-13. https:// link.springer.com/article/10.1007/s43546-020-00020-x
20. Duru, U. (2017). Shoreline change assessment using multi-temporal satellite images: a case study of Lake Sapanca, NW Turkey. Environmental monitoring and assessment, 189(8), 385. https://link. springer.com/article/10.1007/s10661-017-6112-2
21. Dwyer, J. L., Roy, D. P., Sauer, B., Jenkerson, C. B., Zhang, H. K., & Lymburner, L. (2018). Analysis ready data: enabling analysis of the Landsat archive. Remote Sensing, 10(9), 1363. https://doi. org/10.3390/rs10091363
22. Firatli, E., Dervisoglu, A., Yagmur, N., Musaoglu, N., & Tanik, A. (2022). Spatio-temporal assessment of natural lakes in Turkey. Earth Science Informatics, 15(2), 951-964. https://link.springer. com/article/10.1007/s12145-022-00778-8
23. Gocic, M., & Trajkovic, S. (2013). Analysis of changes in meteorological variables using Mann-Kendall and Sen’s slope estimator statistical tests in Serbia. Global and Planetary Change, 100, 172- 182. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2012.10.014
24. Göncü, S., Albek, E. A. & Albek, M. (2017). Burdur, Eğirdir, Sapanca ve Tuz Gölleri su seviyelerinin nonparametrik istatistik yöntemler ile eğilim analizi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(2), 555-570. https://dergipark.org.tr/en/ pub/akufemubid/issue/43399/524749
25. Gözükara, G., Altunbaş, S., & Sarı, M. (2019). Burdur Gölü’ndeki seviye değişimi sonucunda ortaya çıkan lakustrin materyalin zamansal ve mekansal değişimi. Anadolu Tarım Bilimleri Dergisi, 34(3), 386-396. https://doi.org/10.7161/omuanajas.556215
26. Gözükara, G., Zhang, Y., Hartemink, A. E., Altunbas, S., & Sarı, M. (2021). Soil chronosequence and biosequence on old lake sediments of the Burdur Lake in Turkey. Pedosphere, 31(6), 882-891. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(21)60040-1
27. Hepdeniz, K. (2020). Determination of Burdur Lake’s areal change in upcoming years using geographic information systems and the artificial neural network method. Arabian Journal of Geosciences, 13(21), 1143. https://link.springer.com/article/10.1007/ s12517-020-06137-5
28. Hırsch, R. M., & Slack, J.R. (1984). A Nonparametric trend test for seasonal data with serial dependence. Water Resources Research, 20(6), 727-732. https://doi.org/10.1029/WR020i006p00727
29. Himmelstoss, E.A., Farris, A.S., Henderson, R.E., Kratzmann, M.G., Ergul, Ayhan, Zhang, Ouya, Zichichi, J.L., and Thieler, E.R., (2018). Digital Shoreline Analysis System (version 5.0): U.S. Geological Survey software release, https://code.usgs.gov/cch/dsas
30. Himmelstoss, E.A., Henderson, R.E., Kratzmann, M.G., and Farris, A.S., (2021). Digital Shoreline Analysis System (DSAS) version 5.1 user guide: U.S. Geological Survey Open-File Report 2021–1091, 104 p., https://doi.org/10.3133/ofr20211091
31. Jensen, J. R. (2009). Remote sensing of the environment: An earth resource perspective 2/e. Pearson Education India. Kalayci, S., & Kahya, E. (1998). Susurluk havzası nehirlerinde su kalitesi trendlerinin belirlenmesi. Turkish Journal of Engineering and Environmental Science, 22, 503-514. https://aj.tubitak.gov. tr/engineering/issues/muh-98-22-6/muh-22-6-8-98023.pdf
32. Karabulut, M. (2012). Doğu Akdeniz’de ekstrem maksimum ve minimum sıcaklıkların trend analizi. KSÜ Doğa Bilimleri Dergisi Özel Sayı, 37, 44.
33. Kendall M.G. (1975). Rank Correlation Methods. Griffin, London, UK. Kızılelma, Y., Çelik, M., & Karabulut, M. (2015). İç Anadolu Bölgesinde sıcaklık ve yağışların trend analizi. Türk Coğrafya Dergisi, (64), 1-10. https://doi.org/10.17211/tcd.90494
34. Klein, I., Dietz, A. J., Gessner, U., Galayeva, A., Myrzakhmetov, A., & Kuenzer, C. (2014). Evaluation of seasonal water body extents in Central Asia over the past 27 years derived from medium-resolution remote sensing data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 26, 335–349. https:// doi.org/10.1016/j.jag.2013.08.004
35. Koç, A. , Çoban, O. & Yener, H. (2006). Değişim belirlemede görüntü farkı ve görüntü oranlama yöntemleri. Journal of the Faculty of Forestry Istanbul University, 56 (1) , 25-32. https://dergipark. org.tr/en/pub/jffiu/issue/18713/198792
36. Kuleli, T., Guneroglu, A., Karsli, F., & Dihkan, M. (2011). Automatic detection of shoreline change on coastal Ramsar wetlands of Turkey. Ocean Engineering, 38(10), 1141-1149. https://doi.org/ 10.1016/j.oceaneng.2011.05.006
37. Küçük, C., & Sarp, G. (2021). Evaluation of formation mechanism of lakes in terms of morphometric aspect; lakes region and their vicinity, SW of Turkey. Episodes Journal of International Geoscience, 44(3), 285-297. https://doi.org/10.18814/epiiugs/ 2020/020089
38. Li, X., Cheng, G., Ge, Y., Li, H., Han, F., Hu, X.,…Cai, X. (2018). Hydrological cycle in the Heihe River Basin and its implication for water resource management in endorheic basins. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 123, 890–914. https://doi. org/10.1002/2017JD027889
39. Mann, H.B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometrica, 13, 245-259. https://doi.org/10.2307/1907187
40. Mishra, M., Chand, P., Pattnaik, N., Kattel, D. B., Panda, G. K., Mohanti, M., ... & Mohanty, T. (2019). Response of long-to short-term changes of the Puri coastline of Odisha (India) to natural and anthropogenic factors: a remote sensing and statistical assessment. Environmental Earth Sciences, 78, 1-23. https://link.springer. com/article/10.1007/s12665-019-8336-7
41. Moore, L. (2000). Shoreline mapping techniques. Journal of Coastal Research 161:111–124. 19. https://www.jstor.org/stable/ 4300016
42. Mutlu, A. Z., Kazancı, B., Özçetin, A. Y., & Sarıyılmaz, F. B. (2020). Akşehir gölü zamansal değişiminin bant oranlama yöntemleri ile belirlenmesi. Türkiye Uzaktan Algılama Dergisi, 2(1), 22-28. https://dergipark.org.tr/en/pub/tuzal/issue/52699/650018
43. Polat P. & Sunkar M. (2017). Rize’nin iklim özellikleri ve Rize çevresinde uzun dönem sıcaklık ve yağış verilerinin trend analizleri, Fırat Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 27(1), 1-23. https://doi. org/10.18069/firatsbed.346684
44. McLeod, A. I., & McLeod, M. A. (2015). Package ‘Kendall’. R Software: London, UK
45. Sabins, F.F., 1997, Remote Sensing: Principles and Interpretation, 3rd edition W.H.Freeman and Co.
46. Sabuncu, A. (2020). Burdur Gölü kıyı şeridindeki değişiminin uzaktan algılama ile haritalanması. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 623-633. https://doi. org/10.35414/akufemubid.711653
47. Sarp, G., & Özcelik, M. (2017). Water body extraction and change detection using time series: A case study of Lake Burdur, Turkey. Journal of Taibah University for Science, 11(3), 381-391. https://doi.org/10.1016/j.jtusci.2016.04.005
48. Stone, R. (2015). Saving Iran’s great salt lake. Science, 349(6252), 1044-1047. https://doi.org/10.1126/science.349.6252.1044
49. Swart, N. C., Cole, J. N., Kharin, V. V., Lazare, M., Scinocca, J. F., Gillett, N. P., ... & Winter, B. (2019). The Canadian earth system model version 5 (CanESM5. 0.3). Geoscientific Model Development, 12(11), 4823-4873. https://doi.org/10.5194/gmd-12-4823-2019
50. Şener, E., & Şener, Ş. (2021). SPI ve CZI kuraklık indislerinin CBS tabanlı zamansal ve konumsal karşılaştırması: Burdur Gölü Havzası örneği. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi, 7(1), 41-58. https://doi. org/10.21324/dacd.800036
51. Tağıl, Ş., & Alevkayalı, Ç. (2014). Eğirdir Gölüne kuzeyden dökülen akarsularda akım trendi ve yağış ilişkisi, Balıkesir Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Dergisi, 17(32), 211-229. https://doi. org/10.31795/baunsobed.645483
52. Thieler, E. R., E. A. Himmelstoss, J. L. Zichichi, & A. Ergul, (2009). “Dig-ital shoreline analysis system (DSAS) version 4.0—an Arc- GIS exten-sion for calculating shoreline change.” U.S. Geol. Survey Open File Rep.. 2008–1278.
53. Tokgöz, S., & Partal, T. (2020). Karadeniz Bölgesinde yıllık yağış ve sıcaklık verilerinin yenilikçi şen ve mann-kendall yöntemleri ile trend analizi. Journal of the Institute of Science and Technology, 10(2), 1107-1118. https://doi.org/10.21597/jist.633368
54. Topuz M., Karabulut, M. & Korkmaz H. (2016), Trend analysis of precipitation in Hatay, Uluslararası Sosyal Araştırmalar Dergisi, 9 (43), 1186-1194.
55. Topuz, M., & Karabulut, H. F. M. (2018). Türkiye’de Yağış Eğilimleri (1955-2013) ve Atmosferik Dolaşım. TÜCAUM, 30, 3-6.
56. Topuz, M., Feidas, H., & Karabulut, M. (2020). Trend analysis of precipitation data in Turkey and relations to atmospheric circulation:( 1955-2013). Italian Journal of Agrometeorology, (2), 91-107. https://www.torrossa.com/en/resources/an/5042191#page=93
57. Tourian, M. J., Elmi, O., Chen, Q., Devaraju, B., Roohi, S., & Sneeuw, N. (2015). A spaceborne multisensor approach to monitor the desiccation of Lake Urmia in Iran. Remote Sensing of Environment, 156, 349–360. https://doi.org/10.1016/j.rse.2014.10.006
58. Tulan Işıldar, H., & Yalçıner Ercoşkun, Ö. (2021). Göller Yöresinde sürdürülebilirlik ve dirençlilik. Journal of Management Theory and Practices Research, 2(2). https://journals.academicianstudies. com/jmtpr/article/view/26
59. Turoğlu, H. (2017). Deniz ve Göllerde Kıyı. İçinde Turoğlu H. & Yiğitbaşoğlu, H. (Ed), Yasal ve Bilimsel Boyutlarıyla KIYI (ss. 1-30). Jeomorfoloji Derneği Yayınları
60. Turoglu, H. & Duran, A. (2021). Filyos Çayı Deltasında (Karadeniz) kıyı çizgisi değişiklikleri ve yakın geleceğe yönelik göstergeler . Türk Coğrafya Dergisi , (78) , 61-74. https://doi.org/10.17211/ tcd.1016928
61. Wang, J., Song, C., Reager, J. T., Yao, F., Famiglietti, J. S., Sheng, Y., ... & Wada, Y. (2018). Recent global decline in endorheic basin water storages. Nature geoscience, 11(12), 926-932. https://doi. org/10.1038/s41561-018-0265-7
62. Wang, F., Shao, W., Yu, H., Kan, G., He, X., Zhang, D., Ren, M., & Wang, G. (2020). Re-evaluation of the power of the mann-kendall test for detecting monotonic trends in hydrometeorological time series. Frontiers in Earth Science, 8, 14. https://doi.org/10.3389/ feart.2020.00014
63. Woodcock, C. E., Allen, R., Anderson, M., Belward, A., Bindschadler, R., Cohen, W., ... & Wynne, R. (2008). Free access to Landsat imagery. Science, 320(5879), 1011-1011. https://www.science. org/doi/10.1126/science.320.5879.1011a
64. Yu, Y. S., Zou, S., & Whittemore, D. (1993). Non-parametric trend analysis of water quality data of rivers in Kansas. Journal of Hydrology, 150(1), 61-80. https://doi.org/10.1016/0022- 1694(93)90156-4