İzmit Körfezi Güncel Ekstrem Dalga İklimi Analizi ve Yakın Kıyı Dalga Transformasyonu Modellemesi

Abstract

Rüzgâr dalgaları kıyı yapılarının tasarımı ve işlevselliği açısından en başta gelen çevresel faktörlerdir. Kıyı yapılarının yapısal tasarımlarında belirleyici kuvvetleri ortaya çıkarmalarının yanında, özellikle düzensiz ve asimetrik yapıları nedeniyle deniz tabanındaki katı maddeyi hareketlendirerek kumlanma ve taban aşınması gibi olumsuzluklara neden olarak kıyı tesislerinin işlevselliklerinin azalmasına yol açabilmektedirler. Bu çalışmada İzmit Körfezi’nde planlanan veya mevcut kıyı ve deniz yapılarının tasarım ve analizine taban oluşturması amacıyla, açık deniz ve yakın kıyı ekstrem dalga koşullarının belirlenmesine yönelik sayısal modelleme yapılmıştır. Çalışmada ayrıntılarının tartışıldığı üzere, küresel iklim değişikliği nedeniyle şiddetlenmekte olan rüzgâr ve dalga ikliminde güncel durumu yansıtabilmek amacıyla 1999-2023 yılları arasındaki 25 yıllık saatlik rüzgâr verileri kullanılarak yapılan rüzgâr iklimi analizleri sonucunda, Gumbel dağılımı ile belirlenen 100 yıl dönüş aralıklı ekstrem rüzgâr hızı kuzey-kuzeydoğu yönünden 31,0 m/s olarak elde edilmiştir. Bu veriler, Marmara Denizi’nden gelen batı yönlü dalgalarla birlikte İzmit Körfezi’nde oluşabilecek açık deniz belirgin dalga yüksekliği (H_s=4,43 m) ve pik dalga periyodu (T_p = 6,7 s) gibi tasarım parametrelerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar uygulama projeleri için yapılan ayrıntılı analiz sonuçları ile iyi bir uyum içindedir. Hazırlanan dijital batimetri verileriyle desteklenen Körfez modeli ile dokuz farklı yön için yapılan modellemelerle yakın kıyı dalga özelliklerini belirleyen dalga dönüşümü (transformasyonu) gerçekleştirilerek, beklenebileceği üzere batı yönlü dalgaların körfezde en etkili dalgalar olduğu ortaya koyulmuştur. Buna karşın doğu yönlü dalgaların, sınırlı feç mesafesi nedeniyle daha düşük enerjiye sahip olacağı görülmüştür. Çalışmada alansal dağılım olarak sunulan bulguların İzmit Körfezi’nde yapılacak kıyı yapıları tasarım ve analizleri için uygulamacılara bir altlık oluşturma noktasında faydalı olacağı değerlendirilmiştir.

Keywords

• Dalga iklimi
• ekstrem rüzgâr hızı
• dalga transformasyonu
• İzmit Körfezi
• iklim değişikliği

Supporting Institution

1773 İTÜ Teknopark Teknoloji Transfer Ofisi (1773TTO) A.Ş.

Project Number

202400103

Thanks

Bu çalışma 1773 İTÜ Teknopark Teknoloji Transfer Ofisi (1773TTO) A.Ş. bünyesinde yürütülen 202400103 numaralı Ar-Ge projesinin bir çıktısı olarak yayınlanmıştır. Ayrıca, bu makalede bilgi birikiminden faydalandığımız ve modelleme konusunda desteklerini esirgemeyen Sayın Atakan Yüce’ye teşekkür ederiz.

İzmit Bay Recent Extreme Wave Climate Analysis and Nearshore Wave Transformation Modelling

Abstract

Wind-generated waves are among the primary environmental factors in the design and functionality of coastal structures. In addition to exerting determining forces on the structural design of coastal facilities, their irregular and asymmetric characteristics can mobilize sediment on the seabed, leading to adverse effects such as sedimentation and seabed erosion (scour), which in turn can reduce the functionality of coastal infrastructure. In this study, numerical modeling was conducted to determine offshore and nearshore extreme wave conditions in order to provide a basis for the design and analysis of planned or existing coastal and marine structures in İzmit Bay. To reflect more recent conditions, wind climate analyses were performed using 25 years of hourly wind data from 1999 to 2023. Based on these analyses, the 100-year return period extreme wind speed was determined to be 31.0 m/s from the north-northeast direction using the Gumbel distribution. These data, together with waves approaching from the west through the Sea of Marmara, were used to calculate design parameters such as the significant offshore wave height (H_s=4.43 m) and peak wave period (T_p=6.7 s) that may occur in İzmit Bay. The results obtained show good agreement with detailed analysis results from applied projects. Wave transformation modeling was conducted using a Gulf model supported by digital bathymetry data, considering nine different directions to determine nearshore wave characteristics. As expected, waves from the west were found to be the most effective within the bay. In contrast, waves from the east were observed to have lower energy due to their limited fetch distance. It is concluded that the spatial distribution findings presented in the study will provide a useful foundation for practitioners involved in the design and analysis of coastal structures in İzmit Bay.

Keywords

• Wave climate
• extreme wind velocity
• wave transformation
• İzmit Bay
• climate change

Supporting Institution

1773 ITU Technopark Technology Transfer Office (1773TTO) Inc.

Project Number

202400103

Thanks

This study was published as an output of the R&D project numbered 202400103, carried out within the body of 1773 ITU Technopark Technology Transfer Office (1773TTO) Inc. We would also like to thank Mr. Atakan Yüce, whose knowledge we benefited from in this article and who provided his support in modeling.

References

1. S. Baysal, “Liman yaklaşım kanallarında kumlanma analizi ve uygulamacılar için basitleştirilmiş bir model,” Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi., Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2018.
2. S. Kabdaşlı, Kıyı Mühendisliği, İstanbul: İTÜ İnşaat Fakültesi Matbaası, 1990.
3. F. Gerstner, “Theorie der wellen,” Ann. Phys., vol. 32, no. 8, pp. 412–445, 1802.
4. G. B. Airy, Tides and Waves: Extracted from the Encyclopaedia Metropolitana, Chichester, UK: William Clowes and Sons, 1845.
5. G. G. Stokes, “On the theory of oscillatory waves,” Trans. Cam. Philos. Soc., vol. 8, pp. 441–455, 1847.
6. J. S. Russell, Report on Waves: Made to the Meetings of the British Association in 1842–43, London, 1845.
7. H. U. Sverdrup and W. H. Munk, “Wind, sea and swell: Theory of relations for forecasting,” Hydrographic Office, no. 601, 1947.
8. W. J. Pierson, G. Neumann, and R. James, “Observing and forecasting ocean waves by means of wave spectra and statistics,” Hydrogr. Off. Publ., vol. 603, p. 180, 1955.

9. W. J. Pierson Jr and L. Moskowitz, “A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of SA Kitaigorodskii,” J. Geophys. Res., vol. 69, no. 24, pp. 5181–5190, 1964.
10. K. Hasselmann et al., “Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP),” Ergaenzungsheft zur Deutschen Hydrographischen Zeitschrift, Reihe A, Hamburg, 1973.
11. C. L. Bretschneider, “Wave variability and wave spectra for wind-generated gravity waves,” The Board, Tech. Rep. 118, 1959.
12. H. Mitsuyasu, “On the growth of the spectrum of wind-generated waves,” Coastal Eng. Japan, vol. 13, no. 1, pp. 1–14, 1970.
13. L. Lin, Z. Demirbilek, H. Mase, F. Yamada, and J. Zheng, “CMS-Wave: A nearshore spectral wave processes model for coastal inlets and navigation projects,” U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory, Tech. Rep. ERDC/CHL-TR-08-13, Mississippi, 2008.
14. L. Lin, Z. Demirbilek, R. Thomas, and J. Rosati III, “Verification and validation of the coastal modeling system, report 2: CMS-Wave,” U.S. Army Engineer Research and Development Center, Coastal and Hydraulics Laboratory, Tech. Rep. ERDC/CHL-TR-11-10, Mississippi, 2011.
15. C. Favaretto, L. Martinelli, E. M. P. Vigneron, and P. Ruol, “Wave hindcast in enclosed basins: comparison among SWAN, STWAVE and CMS-Wave models,” Water, vol. 14, no. 7, p. 1087, 2022.
16. Coastal Engineering Manual (CEM), U.S. Army Corps of Engineers, 2002.
17. S. Baysal and V. S. O. Kirca, “Prescreening of sedimentation potential in harbor approach channels: a parametric model,” J. Waterw. Port Coastal Ocean Eng., vol. 151, no. 3, p. 4025009, 2025.
18. Y. Goda, Random Seas and Design of Maritime Structures, vol. 33, Singapore: World Scientific, 2010.
19. L. H. Holthuijsen, Waves in Oceanic and Coastal Waters, Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2010.
20. AYGM, Kıyı Yapıları Planlama ve Tasarım Teknik Esasları, T.C. Ulaştırma, Denizcilik ve Haberleşme Bakanlığı, Ankara, 2016.
21. R. G. Dean and R. A. Dalrymple, Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, vol. 2, Singapore: World Scientific, 1991.
22. I. R. Young, Wind Generated Ocean Waves, vol. 2, Elsevier, 1999.
23. E. J. Gumbel, Statistics of Extremes, New York: Columbia Univ. Press, 1958.
24. V. V. Kharin and F. W. Zwiers, “Changes in the extremes in an ensemble of transient climate simulations with a coupled atmosphere–ocean GCM,” J. Clim., vol. 13, no. 21, pp. 3760–3788, 2000.
25. S. Coles, An Introduction to Statistical Modeling of Extreme Values, vol. 208, Springer, 2001.
26. IPCC, IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate, Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2019.
27. Z. Şen, “Innovative trend analysis methodology,” J. Hydrol. Eng., vol. 17, no. 9, pp. 1042–1046, 2012.
28. Anadolu Ajansı (AA), “Kocaeli, Bartın, Sakarya, Düzce ve Zonguldak’ta sağanak ve kuvvetli rüzgar hayatı olumsuz etkiliyor,” Mayıs 2025. [Çevrimiçi]. Erişim: https://www.aa.com.tr/tr/gundem/kocaeli-bartin-sakarya-duzce-ve-zonguldakta-saganak-ve-kuvvetli-ruzgar-hayati-olumsuz-etkiliyor/3058307
29. Çağdaş Kocaeli Gazetesi, “Kocaeli için fırtına ve sağanak yağış uyarısı,” Mayıs 2025. [Çevrimiçi]. Erişim: https://www.cagdaskocaeli.com.tr/haber/17668246/kocaeli-icin-firtina-ve-saganak-yagis-uyarisi