DINAMIKA ATMOSFER CURAH HUJAN EKSTRIM DAN EVALUASI AWAL TEKNOLOGI MODIFIKASI CUACA SISTEM STATIS DI DKI JAKARTA Digitally signed by Institut Teknologi Bandung DN: cn=Institut Teknologi Bandung, o=Digital Library, ou=UPT Perpustakaan ITB,
[email protected] d, c=ID Date: 2013.06.13 14:40:07 +07'00'
DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
RAHMAT GERNOWO NIM 32404001
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
ABSTRAK
DINAMIKA ATMOSFER CURAH HUJAN EKSTRIM DAN EVALUASI AWAL TEKNOLOGI MODIFIKASI CUACA SISTEM STATIS DI DKI JAKARTA Oleh RAHMAT GERNOWO NIM 32404001 Daerah Khusus Ibukota (DKI)-Jakarta secara geografi terletak diantara dua perairan laut Jawa dan lautan Hindia. Kondisi tersebut sangat memungkinkan terjadinya pembentukan awan konvektif yang mengakibatkan hujan lebat. Bencana alam banjir yang melanda daerah Jakarta dan sekitarnya, terjadi hampir tiap tahun yang disebabkan oleh hujan torensial. Ada beberapa kasus terburuk dari kejadian banjir tahun 2002 dan 2007 yaitu, dimana bencana banjir tersebut melanda mencakup sekitar 70% seluruh wilayah DKI Jakarta. Salah satu ide pemikiran dalam mencari solusi bencana alam banjir tersebut yaitu, dengan memahami penyebab banjir dan menganalisis prekursor curah hujan ekstrim serta aplikasi teknologi yang memungkinkan. Pemahaman mengenai pola dinamika atmosfer di DKI-Jakarta sangat diperlukan, mengingat proses tersebut menyebabkan terjadinya perubahan pola fluktuasi curah hujan. Kajian dinamika awan akan menjelaskan terjadinya curah hujan ekstrim penyebab banjir. Penerapan teknologi modifikasi cuaca model Ground Based Generator (GBG) diharapkan dapat mengurangi intensitas curah hujan ekstrim tersebut. Hasil analisis dinamika atmosfer mengenai prekursor curah hujan ekstrim di wilayah DKI Jakarta untuk kejadian banjir periode 2002 dan 2007, terdapat kesamaan pola keberadaan seruak dingin (cold surge) dan rotasi sirkulasi vektor angin yang kuat (strong vortex). Sebagai analisis pengaruh efek lokal, hal tersebut menyebabkan terjadinya updraft yang mengakibatkan pertumbuhan awan konvektif besar. Analisis gelombang Maden-Julian Oscillation (MJO) dan anomali Multivariat ENSO Index (MEI) mengindikasikan bukan faktor dominan dibandingkan dengan pengaruh terjadinya Indian Ocean Dipole (IOD) terhadap fenomena banjir dari efek regional. Karakteristik pola awan yang tumbuh saat kejadian banjir Jakarta, dari perhitungan indeks konvektif baik dari data radiasi gelombang panjang (Outgoing Longwave Radiation, OLR) maupun data Temperatur Infra Red chanel 1 (IR 1) menunjukan pertumbuhan konvektif terlokalisir disekitar Jakarta. Sebagai analisis global, dimungkinkan pengaruh aktivitas matahari dan fluks sinar kosmik menjadi faktor dominan kejadian curah hujan ekstrim di DKI Jakarta. Hal tersebut berdasarkan adanya korelasi antara
i
tahun banjir, curah hujan maksimum reanalisis daerah Jakarta terhadap indeks sunspot dan keterkaitan antara variabilitas fluks sinar kosmik dengan pola tutupan awan. Simulasi dinamika awan banjir DKI-Jakarta tahun 2007 menggunakan model Weather Research and Forecast (WRF) dengan data Final Analysis (FNL) yang merupakan data global sebagai masukan model. Validasi hasil simulasi curah hujan ekstrim dengan curah hujan spasial data Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) diperoleh korelasi 0,7. Berdasarkan analisis simulasi awan, diindikasikan terjadi pertumbuhan awan konvektif besar yang mengakibatkan terjadinya curah hujan ekstrim. Simulasi vektor angin dan perubahan temperatur vertikal dari keluaran model WRF digunakan sebagai input model GBG, diperoleh hasil bahwa vektor pergerakan bahan semai sampai ke dasar awan dengan konsentrasi terhitung sebesar 12,6 g/m3. Sebagai validasi hasil di atas dilakukan perhitungan konsentrasi bahan semai dengan model WRF, dimana diperoleh konsentrasi minimal 150 g/m3 untuk mulai terjadi pertumbuhan awan. Kata Kunci : Banjir, dinamika awan, model WRF dan modifikasi cuaca.
ii
ABSTRACT
ATMOSPHERE DYNAMICS OF EXTREME RAINFALL AND THE PRELIMINARY EVALUATION OF WEATHER MODIFICATION STATIC SYSTEM IN DKI-JAKARTA By RAHMAT GERNOWO NIM 32404001
DKI-Jakarta is a part of Java Island which geographically lies between the Java Sea and the Indian Ocean. This geographical location leads to the forming of convective cloud which will result to the formation of heavy rain (shower). Jakarta area and its surroundings are hit by floods every year due to torrential rain. Among them, the worst cases are the flood that hits on 2002 and 2007, where the floods natural disaster swept over approximately 70% of Jakarta area. One approach to solve the floods problem is to understand fundamentally the factors that cause floods, through precursor analysis of extreme rainfall and application of its corresponding technology. The understanding about atmosphere dynamics pattern in DKI-Jakarta is required, because the process causes changes in the fluctuation pattern of the rainfall. The study of cloud dynamics analysis will explain the occurrence of extreme rainfall which causes floods. The weather modification technology of Ground Based Generator (GBG) model adjustment is expected decreasing the extreme rainfall intensity. The result of atmosphere dynamics analysis on extreme rainfall phenomena in DKI Jakarta region for the flood case periods on 2002 and 2007 shows the existence of an equal pattern of i.e. cold surge and strong vortex. As the local effect influence analysis, these two factors caused the updraft which results to the growth of deep convective cloud. The analysis of Madden-Julian Oscillation (MJO) and anomaly of Multivariate ENSO Index (MEI) indicates non dominant factor compared to the influence of Indian Ocean Dipole (IOD) to flood phenomena. The cloud pattern characteristic in the case of Jakarta floods from calculation of convective index either from outgoing Longwave Radiation (OLR) and Infra Red channel 1 (IR 1) temperature data in DKI Jakarta shows the growth of convective cloud is localized around Jakarta. As the two factors global analysis i.e. the sun activity and cosmic ray flux become the dominant factor of extreme rainfall in DKI Jakarta. This is based on the correlation between the years of flood occurrence, reanalysis of maximum rainfall in Jakarta to sunspot index and interrelationship variability between to cosmic ray flux with cloud cover.
iii
The simulation of cloud dynamics in DKI-JAKARTA on 2007 was based on the Weather Research and Forecast (WRF) model with Final Analysis (FNL) data which takes global data as model input. The validation of extreme rainfall simulation with spatial rainfall data from BMKG (The Agency of Meteorology, Climatology and Geophysics) resulted to the correlation coefficient of 0.7. The cloud simulation analysis indicated the growth of deep convective cloud in extreme rainfall. The simulation of wind vector and the vertical temperature change from WRF model output applied to Ground Based Generator (GBG) model input. The result shows that movement vector of seeding material concentration to the based of cloud is 12.6 g/m3. As the validation of above result concentration calculation of seeding material with WRF model where obtained the minimum concentration is 150 g/m3 for the cloud to start growing. Key Word: Flood, cloud dynamics, WRF model and weather modification.
iv
DINAMIKA ATMOSFER CURAH HUJAN EKSTRIM DAN EVALUASI AWAL TEKNOLOGI MODIFIKASI CUACA SISTEM STATIS DI DKI JAKARTA
Oleh
Rahmat Gernowo NIM 32404001 Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembibing Tanggal Ketua
(Prof. Dr. Bayong Tjasyono H.K., DEA)
Anggota,
Anggota
(Prof. Dr.The Houw Liong)
(Dr. Tri Wahyu Hadi)
v
Karya Tulis ini dipersembahkan untuk semua orang yang berperan
vi
PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI Disertasi Doktor yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HAKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh disertasi haruslah seizin Direktur Sekolah Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung
vii
UCAPAN TERIMA KASIH / KATA PENGANTAR Penulis sangat berterima kasih pada Prof. Dr. Bayong Tjasyono H.K.,DEA sebagai ketua Tim Pembibing, atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan disertasi ini.
Penulis juga berterima kasih atas saran, kritik dan nasihat dari anggota Tim Pembibing Prof. Dr. The Houw Liong dan Dr. Tri Wahyu Hadi.
Penulis juga berterima kasih atas saran, kritik dan masukan dari anggota Tim Penguji Dr. Dadang K Miharja, Dr. Eddy Hermawan, Dr Armi Susandi dan Dr. Mutiara R. Putri.
Terimakasih kepada Prof. Dr. Fang Chungang dari Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academi of Sciences, Beijing China yang telah membantu memahami program WRF untuk aplikasi penyemaian awan.
Terimakasih kepada rekan-rekan lab. WCPL: Nurjana T.J. dan I Dewa G. Junaedhi yang telah membantu penulis dalam meng-compile WRF.
Terima kasih disampaikan kepada F Heru W., MSI; Satyo N., MT dan Sunu T., MT dari UPTHB BPPT atas bantuan data dan diskusi-diskusi selama penelitian berlangsung.
Terima kasih disampaikan kepada Departemen Pendidikan Nasional atas bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana (BPPs) yang diterima selama pendidikan program doktor ini.
Bandung, 20 Mei 2009
Penulis
viii
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK………………………………………………………………......
.i
ABSTRACT………………………………………………………………...
iii
PENGESAHAN……………………………………………………………..
v
PEDOMAN PENGGUNAAN DISERTASI………………………………...
vii
UCAPAN TERIMA KASIH………………………………………………...
viii
DAFTAR ISI………………………………………………………………...
ix
DAFTAR GAMBAR………………………………………………………..
xi
DAFTAR TABEL…………………………………………………………...
xv
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.................................................
xvi
Bab I
Pendahuluan…………………………………..............……….....
1
I.1. Latar Belakang ..............................................................................
1
I.2. Ruang Lingkup dan Batasan Penelitian.........................................
4
I.3. Tujuan Penelitian............................................................................
4
I.4. Asumsi............................................................................................
5
I.5. Hipotesis.........................................................................................
5
I.6. Metodologi Penelitian....................................................................
5
I.7. Kegunaan........................................................................................
5
I.8. Sistimatika Pembahasan.................................................................
6
Bab II
Tinjauan Pustaka............................................................................
7
II.1. Karakteristik Banjir Jakarta............................................................
7
II.2. Dinamika Awan Hujan...................................................................
8
II.3. Teknologi Modifikasi Cuaca..........................................................
12
II.4. Karakteristik Awan Semai.............................................................
16
II.5. Perkembangan Model Cuaca..........................................................
22
Bab III
Metodologi.....................................................................................
30
III.1 Data................................................................................................
31
ix
III.2 Model Numerik..............................................................................
33
III.3 Metoda Permodelan Penyemaian Awan........................................
35
III.4 Metoda Penelitian...........................................................................
39
Bab IV
Hasil Dan Pembahasan...................................................................
43
IV.1 Analisis Prekursor kejadian Curah Hujan Ekstrim…....................
43
IV.2 Kajian Numerik..............................................................................
70
Bab V
Kesimpulan dan Saran....................................................................
89
V.1 Kesimpulan.....................................................................................
89
V.2 Saran dan Rekomendasi.................................................................
90
DAFTAR PUSTAKA....................................................................
91
Riwayat Hidup................................................................................
102
x
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar II.1
Populasi awan tropis penghasil hujan konveksi dan hujan stratiform (Houze et al., 1981)………
9
Proses penyemaian awan (Cloud Seeding), sumber: Wheather Modification Association (WMA), 1996…………………………………..
13
Macam-macam metoda penyemaian awan (Cloud Seeding Methods) antara lain Teknologi dinamik (mobile) sebagai teknologi aktif dan Teknologi GBG (Ground Based Generator ) sebagai teknologi pasif dalam modifikasi Cuaca, Sumber: Wheather Modification Association (WMA), 1996……………………..
14
Jenis-jenis awan berdasarkan karakteristik dan ketinggian. (sumber:Comet http://www.meted.ucar.edu)...
17
Ilustrasi awan dingin dan awan hangat (sumber: http://rst.gsfc.nasa.gov)........................
20
Gambar III.1
Diagram Alir Penelitian......................................
42
Gambar IV.1
Curah Hujan harian rata-rata 11 stasiun pengamatan daerah DKI-Jakarta tanggal 21 Januari – 9 Februari Tahun 2002, 2003, 2004 dan 2007……………………………………….
43
Histogram Curah Hujan harian rata-rata 11 stasiun pengamatan daerah DKI-Jakarta tahun 1988-2008............................................................
44
Gambar II.2
Gambar II.3
Gambar II.4
Gambar II.5
Gambar IV.2
Gambar IV.3
a Vektor angin (m/s) dan Precipitable Water (kg/m2) Jakarta 29-1-2002 dan1-2-2007 ,12.00 UTC..................................................................... b Vektor angin (m/s) dan Precipitable Water (kg/m2) Jakarta 29-1-2005 dan 30-1 2006, 12.00 UTC…………………………………………….
xi
46
47
Gambar IV.4
Gambar IV.5
Gambar IV.6
Gambar IV.7
Gambar IV.8
Gambar IV.9
Gambar IV.10
Gambar. IV 11
Diagram Hovmoller anomali data OLR tahun 2002 dan 2007. (Sumber: http://www.cpc.ncep.noaa.gov)........... a MEI vs DMI Juli 1975/ 1976, Juli 1995/1996, Juli 2001/2002 dan Juli 2006/2007 ( = Januari, = Juli data awal tahun)...................... b MEI vs DMI Juli 2002/2003, Juli 2003/2004, Juli 2004/2005 dan Juli 2005/2006 ( = Januari, = Juli data awal tahun)...................... c MEI, DMI vs curah hujan (CH) bulan Januari dan Juli tahun 1975-2007 DKI Jakarta (tanda = .................MEI, DMI CH tahun banjir Jakarta) Analisis spektra wavelet data curah hujan pentad daerah Jakarta tahun 1990-2007.............. a Indeks Sunspot vs tahun banjir Jakarta (tanda ...) dan curah hujan maksimum hasil reanalisis daerah Jakarta (tanda )...................................... b Sunspot mutlak vs tahun banjir Jakarta (tanda ...) dan curah hujan maksimum hasil reanalisis daerah Jakarta (tanda )...................................... c Korelasi fluks sinar kosmik dengan data tutupan awan daerah Jakarta tahun 1980-1988 (sumber: tutupan awan: BMKG)........................................ a Pola perubahan IR1 Temperature 29 Januari 2002,.................................................................... b Pola perubahan IR1 Temperature 25 Januari 2007, pada 00 UTC DKI-Jakarta........................ Neraca air Daerah Jakarta Bulanan tahun 1989 2007..................................................................... a Indeks Konvektif data IR1 tanggal 28-29-30 Januari 2002........................................................ b Indeks Konvektif data IR1 tanggal 31 Januari dan 1-2-Februari 2007......................................... a Indeks Konvektif data IR1 tanggal 28-29-30 Januari 2002........................................................ b Indeks Konvektif data IR1 tanggal 31 Januari dan 1-2-Februari 2007.........................................
xii
49
51
52
53 53
55
56
57
59 59
60
62 62
63 63
Gambar IV.12
Gambar IV.13
Gambar IV.14
Gambar IV.15
Gambar IV.16
Gambar IV.17
Gambar IV.18
Gambar IV.19
Gambar IV.20
Perbandingan Indeks Konvektif data OLR (Outgoing Longwave Radiation) Untuk periode banjir DKI Jakarta; a.) Tahun 2002 dan b). Tahun 2007……………………………………..
65
Perbandingan Indeks Konvektif data OLR (Outgoing Longwave Radiation) Untuk periode banjir DKI Jakarta ; a.Tahun 2002 dan b.Tahun 2007.....................................................................
66
Curah Hujan harian Bandung 1 Januari – 6 Februari 2002 dan 2007.......................................
68
a Downscaling daerah penelitian menjadi 3 domain…………………………………………. b Peta topografi daerah penelitian berdasarkan hasil Terrain height(m)………………………... Peta Ground Based Generator, cross section pada 1060.85! BT (Sumber: UPTHB BPPT)..….
72 72
74
a Validasi data FNL angin V (m/s) dan U (m/s) serta Temperatur (K) dengan data Radiosonde stasiun Cengkareng-Jakarta……………………. b Validasi data FNL angin V (m/s) dan U (m/s) serta Temperatur (K) dengan data Radiosonde stasiun Cengkareng-Jakarta setelah dilakukan pemfilteran……………………………………..
76
Validasi hasil simulasi model dengan data pengukuran distribusi curah hujan spasial wilayah Jabodetabek 1 Februari2007 (sumber: Sasmito, 2007).....................................................
79
Simulasi 3 jam-an 03.00 – 18.00 UTC awan hujan horizontal (kg/kg) data tanggal 1 Februari 2007 Pola pertumbuhan awan konvektif terlihat dalam simulasi mulai 03.00 UTC terjadi diatas DKI-Jakarta dan sekitarnya hingga waktu 18.00UTC…………………................................
80
Simulasi 3 jam-an 03.00 – 20.00 UTC awan hujan (kg/kg) tanggal 1 Februari 2007………...
81
xiii
76
Gambar IV.21
Gambar IV.22
Gambar IV.23
Gambar IV.24
Validasi hasil model WRF dengan data Radiosonde stasiun Cengkareng–Jakarta untuk pengukuran angin V dan U (m/s), kelembapan relatif (RH %) dan Temperatur (K)…………….
83
Simulasi penyemaian awan dengan model difusi, data tanggal 1 Februari 2007……………
85
Perbandingan pola pertumbuhan awan (kg/kg): a) sebelum dan b) sesudah di semai....................
87
Pola curah hujan sebelum dan sesudah dilakukan pembakaran GBG tanggal 2-10 Desember 2007....................................................
88
xiv
DAFTAR TABEL Halaman Tabel
III.1.Ringkasan Tinjauan Pustaka...........................................................26
Tabel
IV.1.Hasil statistik perbandingan data FNL dan data radiosonde Cengkareng Jakarta........................................................................77
Tabel
IV.2.Hasil statistik perbandingan hasil model WRF dan data radiosonde stasiun Cengkareng Jakarta............................................................84
xv
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Halaman
ANFIS
= Adaptive Neuro Fuzzy Inference System
94
AMIP
= Atmospheric Model Intercomparison Project
25
AVN
= Aviation Model Forcast
23
BT
= Bujur Timur
4
BPPT
= Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
6
BMI
= Benua Maritim Indonesia
2
BMKG
= Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika
Cb
= Cumulonimbus
CCL
= Convective Condensation Level
CSIRO
= Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization
32 2 11
23 DKI
= Daerah Khusus Ibu Kota
DARLAM
= Division of Atmospheric Research Limited Area Model
23
DAS
= Daerah Aliran Sungai
73
DMI
= Dipole Mode Index
30
DMSP
= Defense Meteorological Sattelite Program
56
ENSO
= El Nino-Southern Oscillation
30
EM
= Eruption Maksimum
56
FNL
= Final Analysis
30
GBG
= Ground Based Generator
14
GSE
= Ground Support Equipment
15
GCM
= Global Climate Model
23
GN
= Giant Nuclei
21
GMS
= Geostationary Meteorological Satellite
30
GOES
= Geostationary Operational Environmental Satellite
30
GrADS
= Grids Analysis and Display System
34
GRIB 1
= Gridd Binary version 1
22
GPI
= GOES Precipitation Index
67
GUI
= Graphics User Interface
84
xvi
1
HIRLAM
= High Resolution Limited Area Modeling
ITCZ
= Inter-Tropical Convergence Zone
ISCCP-C2
= International Sattelite Cloud Climate Project Version C2
IOD
= Indian Ocean Dipole
8
LU
= Lintang Utara
4
LS
= Lintang Selatan
4
LAPAN
= Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional
25
MCS
= Mesoscale Convective System
19
MEI
= Multivariat ENSO Index
30
MRF
= Medium Range Forecast
23
MM5
= Mesoscale Model Version 5
23
MJO
= Madden-Julian Oscillation
32
MTSAT
= Multi-Functional Transport Satellite
30
NCEP
= National Centers for Environmental Prediction
23
NCAR
= National Center for Atmospheric Research
23
OLR
= Outgoing Long wave Radiation
30
PGM
= Portable Gray Map
33
PSU
= Pennsylvania State University
70
PV
= Potential Vorticity
45
QBO
= Quasi Biennial Oscillation
58
RUC
= Rapid Update Cycle
23
SM
= Sunspot Minimum
56
TMC
= Teknologi Modifikasi Cuaca
TMA
= Tinggi Muka Air
13
TRMM
= Tropical Rainfall Measuring Mission
97
UGN
= Ultra Giant Nuclei
22
UPTHB
= Unit Pelayanan Teknologi Hujan Buatan
35
UTC
= Universal Time Coordinated
46
WRF
= Weather Research and Forecast
WMA
= Weather Modification Association
13
WPS
= WRF Pre-Processing System
34
WMO
= World Meteorological Organization
34
xvii
23 7 36
3
4
WSM6
= WRF Single-Moment 6-class
35
AgI
= Perak Iodida
16
CO2
= Carbon dioksida
24
C
= Konsentrasi
36
Ic
= Indeks Konveksi
36
K x,y,z
=:Koefisien difusi
36
R i (x,y,z,t)
= Laju reaksi kimia
36
RH
= Kelembapan relatif (Relatif Humidity)
68
S i (x,y,z,t)
= Kekuatan emisi
36
SST
= Sea Surface Temperature
30
T
= Temperatur
76
Tbb
= Temperature black body
76
U
= Vektor angin komponen horizontal arah x
76
V
= Vektor angin komponen horizontal arah y
76
=:Vektor kecepatan angin arah x,y dan z
36
= Operator del
36
x
= Koordinat horisontal x
36
y
= Koordinat horisontal y
36
z
= Koordinat vertikal z
36
t
= Domain waktu
36
LAMBANG
Q
x,y,z
xviii
