Winter snow cover trends in Ardahan (2000–2023): A MODIS-based integrated assessment with station observations and ERA5

Abstract

Climate change significantly affects snow cover dynamics, particularly in high-altitude regions. This study analyzes snow cover changes in Ardahan province for the period 1960-2023 during the winter season (DJF) through multi-source data integration. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) MOD10A1 satellite data (2000-2023) were utilized as the primary data source for detecting province-wide snow cover trends, while daily data from the Turkish State Meteorological Service (TSMS) Ardahan station (1960-2023) were evaluated to validate MODIS and provide long-term trend context, and ECMWF Re-Analysis 5 (ERA5) data were integrated for spatial consistency verification. Mann-Kendall trend test, Sen's Slope estimator, and Pearson correlation analysis methods were applied. The findings reveal a statistically significant increase in DJF mean temperature (+0.073°C/year, p<0.001) over the 63-year period, with a total warming of 4.8°C. The most pronounced increase was detected in minimum temperatures (+0.094°C/year). The number of frost days decreased by approximately 20 days over 63 years (-0.298 days/year, p=0.007), while a declining trend in the number of snow days (p=0.067) was observed. MODIS data identified a 6% reduction in snow cover percentage during 2000-2023 (-0.2519%/year, p<0.01). Correlation analyses demonstrated a very strong negative relationship between mean temperature and frost days (r=-0.900) and a moderate negative relationship between snow cover and temperature (r=-0.454). Decadal analyses indicate accelerating climate change, particularly during the 2010s and 2020s. The results reveal a distinct impact of climate change on snow cover in Ardahan and have significant implications for water resources management.

Keywords

• Snow cover
• Climate change
• Ardahan
• Mann-Kendall
• MODIS
• Trend analysis
• Frost days

Ardahan’da kış kar örtüsü eğilimleri (2000–2023): MODIS verilerine dayalı, istasyon ve ERA5 ile bütünleşik değerlendirme

Abstract

İklim değişikliği, özellikle yüksek rakımlı bölgelerde kar örtüsü dinamiklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışma, Ardahan ilinde 1960-2023 dönemi için kar örtüsü değişimlerini kış dönemi (DJF) için çoklu veri entegrasyonu ile analiz etmektedir. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) MOD10A1 uydu verileri (2000-2023) il geneli kar örtüsü eğilimlerini tespit etmek için ana veri kaynağı olarak kullanılmış, Meteoroloji Genel Müdürlüğü (MGM)’ne ait Ardahan istasyonu günlük verileri (1960-2023) MODIS'i doğrulamak ve uzun dönem trend konteksti sağlamak için değerlendirilmiş, ECMWF Re-Analysis 5 (ERA5) verileri ise mekansal tutarlılık kontrolü için entegre edilmiştir.Mann-Kendall trend testi, Sen’s Slope eğim tahmini ve Pearson korelasyon analizi yöntemleri uygulanmıştır. Bulgular, 63 yıllık dönemde DJF ortalama sıcaklıkta istatistiksel olarak anlamlı artış (+0.073°C/yıl, p<0.001) ve toplam 4.8°C ısınma göstermektedir. En belirgin artış minimum sıcaklıklarda (+0.094°C/yıl) tespit edilmiştir. Donlu gün sayısı 63 yılda yaklaşık 20 gün azalmış (-0.298 gün/yıl, p=0.007), karlı gün sayısında azalış eğilimi (p=0.067) gözlenmiştir. MODIS verileri 2000-2023 döneminde kar örtüsü yüzdesinde %6 azalma (-0.2519%/yıl, p<0.01) tespit edilmiştir. Korelasyon analizleri, ortalama sıcaklık ile donlu gün sayısı arasında çok güçlü negatif ilişki (r=-0.900) ve kar örtüsü ile sıcaklık arasında orta düzey negatif ilişki (r=-0.454) göstermiştir. On yıllık analizler, özellikle 2010’lar ve 2020’lerde hızlanan iklim değişikliğine işaret etmektedir. Bulgular, Ardahan’da iklim değişikliğinin kar örtüsü üzerinde belirgin etkisi olduğunu ortaya koymakta ve su kaynakları yönetimi açısından önemli sonuçlar doğurmaktadır.

Keywords

• Kar örtüsü
• İklim değişikliği
• Ardahan
• Mann-Kendall
• MODIS
• Trend analizi
• Donlu gün

References

1. Acar Deniz, Z., & Gönençgil, B. (2017). Türkiye sıcaklık ekstremlerindeki değişkenlikler. Coğrafya Dergisi, (35), 41-54. https://doi.org/10.26650/JGEOG347083
2. Arıkan, M. (2025). Türkiye’nin kuzeydoğusunda kar ve sıcaklık parametrelerinin trend ve korelasyon analizleri. Gümüşhane Üniversitesi Sosyal Bilimler Dergisi, 16(3), 1204-1221. https://doi.org/10.36362/gumus.1638959
3. Atalay, İ. (1978). Erzurum ovası ve çevresinin jeolojisi ve jeomorfolojisi (Yayın No. 543). Atatürk Üniversitesi Yayınları.
4. Aykır, D., Şensoy, S., & Fural, Ş. (2023). Ardahan’ın klimatik özelliklerinin sektörel iklim indisleri ve projeksiyonlarla değerlendirilmesi. Ardahan Değerlemeleri, 3, 435–462.
5. Barnett, T. P., Adam, J. C., & Lettenmaier, D. P. (2005). Potential impacts of a warming climate on water availability in snow-dominated regions. Nature, 438(7066), 303-309. https://doi.org/10.1038/nature04141
6. Brown, R. D., & Mote, P. W. (2009). The response of Northern Hemisphere snow cover to a changing climate. Journal of Climate, 22(8), 2124-2145. https://doi.org/10.1175/2008JCLI2665.1
7. Brown, R. D., & Robinson, D. A. (2011). Northern Hemisphere spring snow cover variability and change over 1922–2010 including an assessment of uncertainty. The Cryosphere, 5(1), 219-229. https://doi.org/10.5194/tc-5-219-2011
8. Campbell, J. L., Mitchell, M. J., Groffman, P. M., Christenson, L. M., & Hardy, J. P. (2005). Winter in northeastern North America: A critical period for ecological processes. Frontiers in Ecology and the Environment, 3(6), 314-322. https://doi.org/10.1890/1540-9295(2005)003[0314:WINNAA]2.0.CO;2

9. Cohen, J., & Rind, D. (1991). The effect of snow cover on the climate. Journal of Climate, 4(7), 689-706. https://doi.org/10.1175/1520-0442(1991)004<0689:TEOSCO>2.0.CO;2
10. Dai, A. (2008). Temperature and pressure dependence of the rain-snow transition over land and ocean. Geophysical Research Letters, 35(12), L12802. https://doi.org/10.1029/2008GL033295
11. Demircan, M., Gürkan, H., Arabacı, H., & Coşkun, M. (2017, Mayıs 3–6). Türkiye için iklim değişikliği projeksiyonları [Konferans bildirisi]. 16. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı (TMMOB), Ankara, Türkiye.
12. Deng, H., Pepin, N. C., Chen, Y., Guo, B., Zhang, S., Zhang, Y., … & Chen, X. (2018). Dynamics of temperature and precipitation extremes and their spatial variation in the arid region of northwest China. Atmospheric Research, 213, 260-271. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2018.06.012
13. Derksen, C., & Brown, R. (2012). Spring snow cover extent reductions in the 2008–2012 period exceeding climate model projections. Geophysical Research Letters, 39(19), L19504. https://doi.org/10.1029/2012GL053387
14. Duru, O., & Keskin, M. (2013, Nisan). Volcanostratigraphy, geochemistry and petrology of the eastern part of the Kars Volcanic Plateau, north of Çıldır (Ardahan), NE Turkey [Konferans bildirisi]. 66. Türkiye Jeoloji Kurultayı, Ankara, Türkiye.
15. Erinç, S. (1953). Doğu Anadolu coğrafyası (İstanbul Üniversitesi Yayınları No. 572). İstanbul Üniversitesi.
16. Giorgi, F. (2006). Climate change hot-spots. Geophysical Research Letters, 33(8), L08707. https://doi.org/10.1029/2006GL025734
17. Hall, D. K., Riggs, G. A., Salomonson, V. V., DiGirolamo, N. E., & Bayr, K. J. (2002). MODIS snow-cover products. Remote https://doi.org/10.1016/S0034-4257(02)00095-0
18. Hersbach, H., Bell, B., Berrisford, P., Hirahara, S., Horányi, A., Muñoz-Sabater, J., … & Thépaut, J. N. (2020). The ERA5 global reanalysis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 146(730), 1999-2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803
19. Hirsch, R. M., Slack, J. R., & Smith, R. A. (1982). Techniques of trend analysis for monthly water quality data. Water Resources Research, 18(1), 107–121. https://doi.org/10.1029/WR018i001p00107
20. Immerzeel, W. W., van Beek, L. P., & Bierkens, M. F. (2010). Climate change will affect the Asian water towers. Science, 328(5984), 1382-1385. https://doi.org/10.1126/science.1183188 IPCC. (2021). Climate change 2021: The physical science basis. (V. Masson-Delmotte et al., Eds.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781009157896
21. Jennings, K. S., Winchell, T. S., Livneh, B., & Molotch, N. P. (2018). Spatial variation of the rain–snow temperature threshold across the Northern Hemisphere. Nature Communications, 9(1), 1148. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03629-7
22. Kadıoğlu, M. (2012). Küresel iklim değişimi ve Türkiye. Bilge Kültür Sanat Yayınları.
23. Kaltakkıran, G. (2024). Ardahan ilinin meteorolojik verilerindeki değişimin istatistiksel olarak incelenmesi, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 14(1), 208-226. doi: 10.17714/gumusfenbil.1242946
24. Karaköse, C., Asutay, H. J., Yergök, A. F., Akbaş, B., Dalkılıç, H., Meng, H., Kara, H., Papak, İ., & Keskin, İ. (1994). Ardahan-Posof dolayının jeolojisi (MTA Rapor No. 9962). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü.
25. Kendall, M. G. (1975). Rank correlation methods. Charles Griffin.
26. Koçman, A. (1979). Yukarı Kura Nehri havzasının fiziksel coğrafyası (Tez No. 367250). [Doktora tezi, Atatürk Üniversitesi]. YÖK Tez Merkezi.
27. Koçman, A. (1984). Yukarı Kura Nehri havzasının toprakları. Ege Coğrafya Dergisi, 2(1), 151–176. Mann, H. B. (1945). Nonparametric tests against trend. Econometrica: Journal of the Econometric Society, 13(3), 245-259. https://doi.org/10.2307/1907187
28. Musselman, K. N., Clark, M. P., Liu, C., Ikeda, K., & Rasmussen, R. (2017). Slower snowmelt in a warmer world. Nature Climate Change, 7(3), 214-219. https://doi.org/10.1038/nclimate3225
29. Özgür, E. (2022). Atmosferik koşullar yardımıyla kar yağışı ile yağmuru ayıran kritik sıcaklığın Türkiye genelinde belirlenmesi (Tez No. 754671). [Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi]. YÖK Tez Merkezi.
30. Öztürk, M.Z ve Kılıç, H. (2018). Ardahan’da iklim parametrelerindeki değişimin zamansal analizi. Türk Coğrafya Dergisi (70), 37- 43. DOI:10.17211/tcd.364239
31. Pepin, N., Bradley, R. S., Diaz, H. F., Baraer, M., Caceres, E. B., Forsythe, N., … & Yang, D. Q. (2015). Elevation-dependent warming in mountain regions of the world. Nature Climate Change, 5(5), 424-430. https://doi.org/10.1038/nclimate2563
32. Sen, P. K. (1968). Estimates of the regression coefficient based on Kendall’s tau. Journal of the American Statistical Association, 63(324), 1379-1389. https://doi.org/10.1080/01621459.1968.10480934
33. Şen, Z. (2022). İklim değişikliği ve Türkiye. Çevre Şehir ve İklim Dergisi, 1(1), 1-19.
34. Şengül, S. (2019). Küresel iklim değişikliğinin yağış ve sıcaklık üzerindeki etkilerinin Kırkgöze dağlık havzasındaki kar kütlesi üzerinde 2050 yılı için beklenen etkilerinin HSPF model programı ile incelenmesi. European Journal of Science and Technology (Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi), (17), 611–636.
35. Şorman, A. Ü., Şensoy, A., Tekeli, A. E., Şorman, A. A., & Akyürek, Z. (2009). Modelling and forecasting snowmelt runoff process using the HBV model in the Eastern part of Turkey. Hydrological Processes, 23(7), 1031-1040. https://doi.org/10.1002/hyp.7204
36. T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı. (2024). Ardahan ili çevre durum raporu 2024. https://webdosya.csb.gov.tr/db/ced/icerikler/ardahan_-cdr-2024-20250917092626.pdf
37. Tekeli, A. E., Akyürek, Z., Şorman, A. A., Şensoy, A., & Şorman, A. Ü. (2005). Using MODIS snow cover maps in modeling snowmelt runoff process in the Eastern part of Turkey. Remote Sensing of Environment, 97(2), 216-230. https://doi.org/10.1016/j.rse.2005.03.013
38. Theil, H. (1992). A rank-invariant method of linear and polynomial regression analysis. In B. Raj & J. Koerts (Eds.), Henri Theil’s contributions to economics and econometrics (pp. 345–381). Springer.
39. Thornthwaite, C. W. (1948). An approach toward a rational classification of climate. Geographical Review, 38(1), 55–94. https://doi.org/10.2307/210739
40. Topuz, M., & Karabulut, M. (2021). Doğu Anadolu Bölgesi’nde kar örtülü gün ve kar yağışlı günler sayısının eğilim analizi (1970–2020). Doğu Coğrafya Dergisi, 26(46), 1–24. https://doi.org/10.17295/ataunidcd.928393
41. Trewartha, G. T., & Horn, L. H. (1980). An introduction to climate (5th ed.). McGraw-Hill.
42. Türkeş, M. (2012). Türkiye’de gözlenen ve öngörülen iklim değişikliği, kuraklık ve çölleşme. Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 4(2), 1–32.
43. Türkeş, M., & Erlat, E. (2008). Influence of the Arctic Oscillation on the variability of winter mean temperatures in Turkey. Theoretical and Applied Climatology, 92(1), 75-85. https://doi.org/10.1007/s00704-007-0310-8
44. Türkeş, M., Sümer, U. M., & Çetiner, G. (2000). Küresel iklim değişikliği ve olası etkileri. İçinde Çevre Bakanlığı, Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi Seminer Notları (ss. 7–24). Ankara.
45. Vose, R. S., Easterling, D. R., & Gleason, B. (2005). Maximum and minimum temperature trends for the globe: An update through 2004. Geophysical Research Letters, 32(23), L23822. https://doi.org/10.1029/2005GL024379