İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:144) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ UYDU VE YER KAYNAKLI METEOROLOJİK DEĞİŞKENLERLE KISA VADELİ YAĞIŞ MODELLEMESİ İÇİN YAPAY SİNİR AĞI YAKLAŞIMI DOKTORA TEZİ Y. Müh. Ahmet ÖZTOPAL Anabilim Dalı: METEOROLOJİ MÜHENDİSLİĞİ Programı: METEOROLOJİ MÜHENDİSLİĞİ MART 2007 ÖNSÖZ Genel anlamda bu tezde, METEOSAT 7 uydusunun kızılötesi kanalından elde edilen bulut tepe sıcaklığı ve troposferin çeşitli seviyelerindeki meteorolojik değişkenlerin kullanımı ile bir Yapay Sinir Ağı modeli geliştirilerek, Marmara Bölgesi’ndeki 2000 yılı Mayıs – Eylül dönemi yağışlarının kısa vadeli tahmini gerçekleştirilmeye çalışılmıştır. Tezimin bu sayfasını okumayan, hiçbir zaman da okumayacak ve amacı öğrencilerinin iyi birer bilim adamı olması olan değerli hocam Prof. Dr. Zekai ŞEN’e benim üzerimdeki tüm maddi ve manevi emekleri için şükranlarımı sunmayı bir borç bilirim. Ayrıca tezimin her safhasında benden yardımlarını esirgemeyen Prof. Dr. Selahattin İNCECİK ve Prof. Dr. Zafer ASLAN’a teşekkür ederim. Bu çalışma yapılırken, her zaman maddi-manevi desteğini arkamda gördüğüm Doç. Dr. Ahmet Duran ŞAHİN ve yardımlarını esirgemeyen Prof. Dr. Serhat ŞEKER, Dr. Burak BARUTÇU ve Doç. Dr. Sibel MENTEŞ’e de teşekkür ederim. Gerekli olan uydu verisinin sağlanması ve çözümlenmesi konusunda, Devlet Meteoroloji İşleri’nde çalışan İsmail MERT, Aydın ERTÜRK ve Servet GÜNYEL’e de teşekkürü bir boç bilirim. Doktora öğrenimim boyunca, bana destek olan ve büyük bir sabır gösteren eşim Şule’ye, dünya tatlısı kızım Zeynep’e ve emeklerinin karşılığını hiç bir zaman ödeyemeyeceğim anne, baba ve kardeşlerime şükranlarımı sunarım. Ahmet ÖZTOPAL Mart 2007 ii İÇİNDEKİLER KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vi ŞEKİL LİSTESİ ix SEMBOL LİSTESİ x ÖZET xi SUMMARY xiii 1. GİRİŞ 1 1.1. Giriş 1 1.2. Çalışmanın Amacı 13 2. ÇALIŞMA BÖLGESİ VE VERİLER 15 2.1. Marmara Bölgesi 15 2.2. Gözönüne Alınan İstasyonlar 16 2.3. Meteosat 7 Uydu Verisi 18 2.4. Yağış ve İşlenmiş NCEP/NCAR Verileri 19 3. KULLANILAN YÖNTEM VE İSTATİSTİK 21 3.1. Yapay Sinir Ağlarına Giriş 21 3.2. Yapay Sinir Hücresi 22 3.3. Yapay Sinir Ağları’nın Genel Yapısı 25 3.4. Yapay Sinir Ağları’nda Geriye Yayılma Algoritması 25 3.5. Kullanılan İstatistik Bilgiler 28 3.5.1. Yakalama Olasılığı 29 3.5.2. Taraflılık 29 3.5.3. Yanlış Uyarı Oranı 30 3.5.4. Kritik Başarı İndeksi 30 3.5.5. İsabet Oranı 30 3.5.6. Sınıflandırma 31 3.6. Düğüm Noktaları Değerlerinin İstayonlara Taşınması 31 4. UYGULAMA 33 4.1. Yapay Sinir Ağı Mimarisi 33 4.2. 5 – 7 Eylül 2000 Dönemi Analiz Ve Uygulaması 34 4.2.1. Meteorolojik Analiz 1 34 iii 4.2.2. Uygulama 1 36 4.3. 23 – 25 Mayıs 2000 Dönemi Analiz Ve Uygulaması 39 4.3.1. Meteorolojik Analiz 2 39 4.3.2. Uygulama 2 40 4.4. 21 – 23 Temmuz Dönemi Analiz Ve Uygulaması 43 4.4.1. Meteorolojik Analiz 3 43 4.4.2. Uygulama 3 44 4.5. 25 – 27 Ağustos Dönemi Analiz Ve Uygulaması 47 4.5.1. Meteorolojik Analiz 4 47 4.5.2. Uygulama 4 48 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER 51 KAYNAKLAR 53 EKLER 58 ÖZGEÇMİŞ 70 iv KISALTMALAR ITCZ : Intertropical Convergence Zone GOES : Geostationary Operational Environmental Satellites GPI : GOES Precipitation Index GWT : Griffith – Woodley Technique NAWT : Negri–Adler–Woodley Technique CST : Convective-Stratiform Technique AET : AutoEstimator Technique GA : Genetik Algoritmalar SSM/I : Special Sensor Microwave Imager AGIP : Adjusted GOES Precipitation Index ECST : Enhanced Convective Stratiform Tecnique IAET : Improved Autoestimator Technique YSA : Yapay Sinir Ağları NCEP : National Centers for Environmental Prediction NCAR : National Center for Atmospheric Research DMİ : Devlet Meteoroloji İşleri YM : Yağış Miktarı BTS : Bulut Tepe Sıcaklığı BM : Bulanık Mantık ADALINE : Adaptive Lineer Combiner POD : Probability of detection FAR : False alarm ratio CSI : Critical succes index HR : Hit rate v TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 2.1: Çalışmada kullanılan istasyonlar.……………....................…….… 16 Tablo 2.2: Çalışmada kullanılan meteorolojik değişkenlerin kısaltma ve birimleri.…....................................................................................... 20 Tablo 4.1: Kurulan YSA modelinin giriş ve çıkış değişkenleri.…………...…. 33 Tablo 4.2: Uygulama 1 için meteorolojik değişkenlerin yağış miktarı ile olan ilişki katsayıları................................................................... 36 Tablo 4.3: Tüm uygulamalarda eğitim aşaması için istatistik yaklaşımlar........ 38 Tablo 4.4: Tüm uygulamalarda tahmin aşaması için istatistik yaklaşımlar....... 38 Tablo 4.5: Uygulama 1’de eğitim aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması........................................ 39 Tablo 4.6: Uygulama 1’de tahmin aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması.........…...…………….... 39 Tablo 4.7: Uygulama 2 için meteorolojik değişkenlerin yağış miktarı İle olan ilişki katsayıları................................................................... 41 Tablo 4.8: Uygulama 2’de eğitim aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması........................................ 43 Tablo 4.9: Uygulama 2’de tahmin aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması..............……. 43 Tablo 4.10: Uygulama 3 için meteorolojik değişkenlerin yağış miktarı ile olan ilişki katsayıları................................................................... 45 Tablo 4.11: Uygulama 3’te eğitim aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması…………...…...……….. 47 Tablo 4.12: Uygulama 3’te tahmin aşaması için sınıflandırılmış yağışların gözlem ve tahmin olarak karşılaştırılması.......………...………….. 47 Tablo 4.13: Uygulama 4 için meteorolojik değişkenlerin yağış miktarı ile olan ilişki katsayıları................................................................................ 49 Tablo A.1: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, BTS, Ω 1000 mb, T 1000 mb, R_v 1000 mb ve R_u 1000 mb veri seti...… 58 Tablo A.2: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 1000 mb, RH 1000 mb, Ω 925 mb, T 925 mb ve R_v 925 mb veri seti.......... 58 Tablo A.3: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_u 925 mb, H 925 mb, RH 925 mb, Ω 850 mb ve T 850 mb veri seti......... 59 Tablo A.4: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_v 850 mb, R_u 850 mb, H 850 mb, RH 850 mb ve Ω 700 mb veri seti..... 59 Tablo A.5: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, T 700 mb, R_v 700 mb, R_u 700 mb, H 700 mb ve RH 700 mb veri seti........ 59 Tablo A.6: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, Ω 600 mb, T 600 mb, R_v 600 mb, R_u 600 mb ve H 600 mb veri seti........... 60 Tablo A.7: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, RH 600 mb, 60 Ω 500 mb, T 500 mb, R_v 500 mb ve R_u 500 mb veri seti........... vi Sayfa No Tablo A.8: Sarıyer istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 500 mb ve RH 500 mb veri seti......…...….............................…...……….... 60 Tablo B.1: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, BTS, Ω 1000 mb, T 1000 mb, R_v 1000 mb ve R_u 1000 mb veri seti...… 61 Tablo B.2: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 1000 mb, RH 1000 mb, Ω 925 mb, T 925 mb ve R_v 925 mb veri seti.......... 61 Tablo B.3: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_u 925 mb, H 925 mb, RH 925 mb, Ω 850 mb ve T 850 mb veri seti......... 62 Tablo B.4: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_v 850 mb, R_u 850 mb, H 850 mb, RH 850 mb ve Ω 700 mb veri seti..... 62 Tablo B.5: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, T 700 mb, R_v 700 mb, R_u 700 mb, H 700 mb ve RH 700 mb veri seti........ 62 Tablo B.6: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, Ω 600 mb, T 600 mb, R_v 600 mb, R_u 600 mb ve H 600 mb veri seti........... 63 Tablo B.7: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, RH 600 mb, Ω 500 mb, T 500 mb, R_v 500 mb ve R_u 500 mb veri seti.... 63 Tablo B.8: Kocaeli istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 500 mb ve RH 500 mb veri seti......…...….............................……...…….... 63 Tablo C.1: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, BTS, Ω 1000 mb, T 1000 mb, R_v 1000 mb ve R_u 1000 mb veri seti.….. 64 Tablo C.2: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 1000 mb, RH 1000 mb, Ω 925 mb, T 925 mb ve R_v 925 mb veri seti.......... 64 Tablo C.3: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_u 925 mb, H 925 mb, RH 925 mb, Ω 850 mb ve T 850 mb veri seti................ 65 Tablo C.4: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_v 850 mb, R_u 850 mb, H 850 mb, RH 850 mb ve Ω 700 mb veri seti........... 65 Tablo C.5: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, T 700 mb, R_v 700 mb, R_u 700 mb, H 700 mb ve RH 700 mb veri seti........ 65 Tablo C.6: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, Ω 600 mb, T 600 mb, R_v 600 mb, R_u 600 mb ve H 600 mb veri seti............... 66 Tablo C.7: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, RH 600 mb, Ω 500 mb, T 500 mb, R_v 500 mb ve R_u 500 mb veri seti........... 66 Tablo C.8: Florya istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 500 mb ve RH 500 mb veri seti......…...….............................………........….... 66 Tablo D.1: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, BTS, Ω 1000 mb, T 1000 mb, R_v 1000 mb ve R_u 1000 mb veri seti.….. 67 Tablo D.2: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 1000 mb, RH 1000 mb, Ω 925 mb, T 925 mb ve R_v 925 mb veri seti.......... 67 Tablo D.3: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_u 925 mb, H 925 mb, RH 925 mb, Ω 850 mb ve T 850 mb veri seti................ 68 Tablo D.4: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, R_v 850 mb, R_u 850 mb, H 850 mb, RH 850 mb ve Ω 700 mb veri seti............ 68 Tablo D.5: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, T 700 mb, R_v 700 mb, R_u 700 mb, H 700 mb ve RH 700 mb veri seti........ 68 Tablo D.6: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, Ω 600 mb, T 600 mb, R_v 600 mb, R_u 600 mb ve H 600 mb veri seti............... 69 vii Sayfa No Tablo D.7: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, RH 600 mb, Ω 500 mb, T 500 mb, R_v 500 mb ve R_u 500 mb veri seti........... 69 Tablo D.8: Edirne istasyonunun 5-7 Eylül 2000 tarihindeki YM, H 500 mb ve RH 500 mb veri seti......…...….............................……........…….... 69 viii ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 1.1: Sirüs ve gök gürültülü fırtına ayrımı............................................. 7 Şekil 1.2: Yağış sınıflandırması (Şen ve Öztopal, 2001).............................. 7 Şekil 1.3: Griffth – Woodley tekniğindeki (GWT) A /A oranının e e(maks) belirlenmesinde kullanılan amprik diyagram................................ 10 Şekil 1.4: Yağış oranı grafiği......................................................................... 11 Şekil 1.5: Bulut piksel sıcaklığı ile b değeri arasındaki ilişki........................ 12 Şekil 2.1: Çalışma istasyonlarının dağılımı................................................... 17 Şekil 2.2: OpenMTP formatında gelen veriyi çözümleyen yazılım.............. 18 Şekil 2.3: Helman tipi plüviyograf................................................................ 19 Şekil 3.1: Yapay sinirin genel yapısı (Yurtoğlu, 2005)................................. 23 Şekil 3.2: En çok kullanılan transfer fonksiyonları (Yurtoğlu, 2005)........... 24 Şekil 3.3: Yapay sinirin detaylı yapısı (Yurtoğlu, 2005)............................... 24 Şekil 3.4: YSA’ların genel yapısı (Yurtoğlu, 2005)...................................... 25 Şekil 3.5: Genel bir YSA mimarisi................................................................ 26 Şekil 3.6: Gözlem – Tahmin yağış ihtimalleri............................................... 29 Şekil 3.7: Düğüm noktası yapısı.................................................................... 32 Şekil 4.1: Çalışmada kullanılan YSA mimarisi............................................. 34 Şekil 4.2: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (6 Eylül 2000, 00:00 GMT).... 35 Şekil 4.3: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (7 Eylül 2000, 00:00 GMT)... 35 Şekil 4.4: Uygulama 1 için modelin eğitim aşamasındaki başarısı............... 37 Şekil 4.5: Uygulama 1 için modelin tahmin aşamasındaki başarısı.............. 37 Şekil 4.6: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (24 Mayıs 2000, 00:00 GMT) 40 Şekil 4.7: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (25 Mayıs 2000, 00:00 GMT) 40 Şekil 4.8: Uygulama 2 için modelin eğitim aşamasındaki başarısı............... 42 Şekil 4.9: Uygulama 2 için modelin tahmin aşamasındaki başarısı.............. 42 Şekil 4.10: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (22 Temmuz 2000, 00:00 GMT)............................................................................................. 44 Şekil 4.11: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (23 Temmuz 2000, 00:00 GMT)............................................................................................. 44 Şekil 4.12: Uygulama 3 için modelin eğitim aşamasındaki başarısı............... 46 Şekil 4.13: Uygulama 3 için modelin tahmin aşamasındaki başarısı.............. 46 Şekil 4.14: 1000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (26 Ağustos 2000, 12:00 GMT)............................................................................................. 48 Şekil 4.15: 000 mb ve 500 mb sinoptik kartı (27 Ağustos 2000, 12:00 GMT)............................................................................................. 48 Şekil 4.16: Uygulama 4 için modelin eğitim aşamasındaki başarısı............... 50 Şekil 4.17: Uygulama 4 için modelin tahmin aşamasındaki başarısı.............. 50 ix