DINAMIKA KARAKTERISTIK LAPISAN PERBATAS PERMUKAAN (SURFACE BOUNDARY LAYER) DI ATAS PERKEBUNAN KELAPA SAWIT
ALAN PURBA KUSUMA
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Dinamika Karakteristik Lapisan Perbatas Permukaan (Surface Boundary Layer) di Atas Perkebunan Kelapa Sawit adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Agustus 2014 Alan Purba Kusuma NIM G24100047
ABSTRAK ALAN PURBA KUSUMA. Dinamika Karakteristik Lapisan Perbatas Permukaan (Surface Boundary Layer) di Atas Perkebunan Kelapa Sawit. Dibimbing oleh TANIA JUNE. Penelitian yang dilakukan di dua lokasi perkebunan sawit, yaitu di Desa Pompa Air, Jambi (umur 2 tahun) dan di PT. Perkebunan Nusantara VIII, Cimulang, Jawa Barat (umur 8-10 tahun) menunjukkan bahwa karakteristik kekasapan (perpindahan bidang nol ( π ), kecepatan kasap ( π’β ), dan panjang kekasapan ( π§0 )) meningkat dengan bertambahnya umur tanaman. Parameter kekasapan ini menentukan dinamika profil-vertikal kecepatan angin, intensitas turbulensi, energi kinetik turbulensi (TKE), dan juga transfer momentum serta bahang (terasa dan uap air). Berdasarkan hasil yang diperoleh pada kedua lokasi perkebunan, kecepatan angin di dekat permukaan akan mengalami disturbansi dan menurun secara logaritmik karena gesekan dengan permukaan yang berkorelasi positif dengan koefisien drag (πΆπ·). Nilai πΆπ· sebanding dengan kuadrat rasio antara kecepatan tangensial parsel udara karena turbulensi mekanik dengan kecepatan angin rata-rata pada ketinggian tertentu. Nilai koefisien drag pada kondisi netral πΆπ· cenderung menurun terhadap pertambahan kecepatan angin. Pada kondisi atmosfer tidak stabil, proses pemanasan permukaan oleh radiasi matahari mendorong terbentuknya pengangkatan massa udara ke atas (buoyancy) yang mencapai puncak pada tengah hari (12.00-14.00 WIB). Semua mekanisme ini menyebabkan gerakan acak aliran massa udara dan mengubah energi kinetik serta potensial aliran pada suatu ketinggian menjadi TKE. Analisis menunjukkan TKE memiliki korelasi yang tinggi dengan transfer bahang terasa dan uap air. Hal ini menunjukkan bahwa turbulensi lebih efektif dalam proses pencampuran dibanding melalui proses difusi molekular. Kata kunci: kekasapan permukaan, perpindahan bidang nol, kecepatan kasap, panjang kekasapan, turbulensi, TKE, koefisien drag, transfer momentum, transfer bahang
ABSTRACT ALAN PURBA KUSUMA. The Dynamics of Surface Boundary Layer Characteristics above Oil Palm Plantation. Supervised by TANIA JUNE. The research conducted in two separated oil palm plantation sites, i.e. in Pompa Air Village, Jambi (2 years old of oil palm) and in PT. Perkebunan Nusantara VIII, Cimulang, West Java (8-10 years old of oil palm) showed that the roughness parameters including zero-plane displacement (π), friction velocity (π’β ), and roughness length ( π§0 ) increase with the rise of the age of plants. These parameters play a crucial role in affecting the dynamics of wind vertical-profile, turbulence intensity, turbulence kinetic energy (TKE), as well as momentum and heat (sensible and latent) transport mechanisms. Based on the results, above the plant canopies of both of plantation sites, the wind speed will be disturbed by and logarithmically decreased downward to just above the roughness elements by the
surface shear stress which has postitive correlation with the drag coefficient (πΆπ·). Value of πΆπ· is equivalent to square of ratio between the tangential velocity of air flow generated by mechanical turbulence and wind speed at certain height. Above both of plantation sites in neutral atmospheric condition πΆπ· tended to decrease with the increase of wind speed. In addition, in unstable atmospheric condition, surface heating process by short wave radiation generates buoyancy reaching its peak at mid-day (12 am - 2 pm). All of these mechanisms cause chaotic air flow and convert kinetic and potential energy of stratified mean flow into TKE. Based on result, TKE had high correlation with sensible heat flux and latent heat flux as well. It showed that turbulence has more efficient mixing mechanism than molecular diffussion process. Keywords: roughness parameters, zero-plane displacement, friction velocity, roughness length, turbulence, TKE, drag coefficient, momentum flux, heat flux
DINAMIKA KARAKTERISTIK LAPISAN PERBATAS PERMUKAAN (SURFACE BOUNDARY LAYER) DI ATAS PERKEBUNAN KELAPA SAWIT
ALAN PURBA KUSUMA
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Geofisika dan Meteorologi
DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Dinamika Karakteristik Lapisan Perbatas Permukaan (Surface Boundary Layer) di Atas Perkebunan Kelapa Sawit Nama : Alan Purba Kusuma NIM : G24100047
Disetujui oleh
Dr Ir Tania June, MSc Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Tania June, MSc Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, Tuhan semesta alam, atas segala rahmat dan hidayat-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul βDinamika Karakteristik Lapisan Perbatas Permukaan (Surface Boundary Layer) di Atas Perkebunan Kelapa Sawitβ dan telah memperoleh gelar Sarjana Sains di Departemen Geofisika dan Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Dengan penuh rasa terima kasih, kebanggaan ini tentunya penulis persembahkan terutama kepada ayah saya, Bapak Riswandi dan kakak perempuan tercinta, Riska Ayu Antika yang selalu mencurahkan doa, motivasi, dan cinta kasihnya. Penelitian dan proses penulisan hasil penelitian ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada, Dr Ir Tania June selaku pembimbing skripsi yang telah memberikan arahan, dukungan, dan bimbingannya, serta ilmu yang tidak ternilai harganya. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Nandar dari Balai Penelitian Klimatologi dan Hidrologi, CRC990 EFForts Projects, PTPN VIII, dan BOPTN 2013 yang telah memberikan bantuan untuk terselenggaranya penelitian ini. Ungkapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada dosen pembimbing akademik, semua dosen dan staff Departemen Geofisika dan Meteorologi IPB, semua keluarga besar, serta teman-teman yang selalu memberikan doa dan nasehatnya kepada penulis. Selanjutnya, penulis menyadari bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan.
Bogor, Agustus 2014 Alan Purba Kusuma
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
METODE
2
Lokasi dan Waktu Penelitian
2
Alat dan Bahan Penelitian
2
Prosedur Analisis Data
2
HASIL DAN PEMBAHASAN
7
Lapisan Perbatas (Boundary Layer)
7
Karakteristik Mikrometeorologi di Atas Perkebunan Kelapa Sawit
8
Karakteristik Kekasapan Permukaan dan Implikasinya pada Profil Kecepatan Angin
10
Intensitas Turbulensi dan Turbulence Kinetic Energy (TKE) di Atas Pertanaman Kelapa Sawit
14
Koefisien Pertukaran Turbulensi/Eddy untuk Momentum dan Transfer Momentum pada Lapisan Perbatas di Atas Perkebunan Kelapa Sawit
15
Transfer Bahang Terasa (Sensible Heat Flux)
17
Transfer Uap Air (Latent Heat Flux)
19
SIMPULAN DAN SARAN
20
Simpulan
20
Saran
21
DAFTAR PUSTAKA
21
LAMPIRAN
23
RIWAYAT HIDUP
31
DAFTAR TABEL 1
2
3
4
5
Nilai drag coefficient (πΆπ·) pada ketinggian maksimum pengukuran (π§πππ₯ ) dan ketinggian referensi (π§π )* untuk perkebunan Pompa Air, Jambi dan perkebunan Cimulang
12
Nilai rata-rata intensitas turbulensi dan TKE pada kondisi atmosfer tidak stabil di atas perkebunan kelapa sawit Desa Pompa Air, Jambi (umur 2 tahun) dan Cimulang (Umur 8-10 tahun)
15
Nilai koefisien pertukaran turbulensi untuk momentum (πΎπ ) dan besar transfer momentum rata-rata ( π ) pada tiga level ketinggian untuk wilayah perkebunan Pompa Air, Jambi dan Cimulang
16
Korelasi transfer bahang terasa (ππ» ) dengan Richardson Number (π
π), gradien vertikal suhu udara (ππ), kecepatan angin rata-rata (Ε«), dan radiasi global
18
Korelasi fluks panas laten ( ππΈ ) dengan Richardson Number ( π
π ), kelembaban relatif (RH), gradien vertikal suhu udara (ππ), kecepatan angin rata-rata (Ε«), radiasi global, TKE, dan fluks bahang terasa (ππ» )
20
DAFTAR GAMBAR 1
Lokasi penelitian PT. Perkebunan Nusantara VIII, Cimulang, Jawa Barat dan perkebunan Desa Pompa Air, Jambi
3
Ilustrasi pemasangan sensor pada mini-tower di Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi dan Perkebunan Cimulang
3
3
Skema lapisan perbatas atmosfer (Merujuk dari Arya 2001)
8
4
Variasi diurnal rata-rata radiasi global, profil suhu dan kelembaban relatif (RH) di atas perkebunan kelapa sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) serta perkebunan umur 8-10 tahun (Cimulang)
9
Profil kecepatan angin di atas perkebunan kelapa sawit Pompa Air, Jambi (2.4 m, 3.15 m, 5.8 m) dan Cimulang (9 m, 13m)
10
Penentuan panjang kekasapan ( π§0 ) dan kecepatan kasap ( π’β ) pada perkebunan umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan umur 8-10 tahun (Cimulang)
10
Hubungan kekasapan dan kestabilan atmosfer (stabil, netral, dan tidak stabil) pada profil kecepatan angin
11
Korelasi koefisien drag ( πΆπ· ) dengan kecepatan angin di atas pekebunan sawit umur 2 tahun dan umur 8-10 tahun pada kondisi atmosfer netral
13
2
5 6
7 8
9
Variasi nilai turbulensi terhadap ketinggian di atas perkebunan kelapa sawit Desa Pompa Air, Jambi dan Cimulang.
15
10 Korelasi antara koefisien pertukaran turbulensi untuk momentum (πΎπ ) dengan bilangan Richardson (π
π)
16
11 Variasi diurnal transfer bahang terasa di atas pertanaman kelapa sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang)
17
12 Variasi perbedaan suhu secara vertikal di atas pertanaman sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang)
18
13 Variasi diurnal transfer uap air di atas pertanaman kelapa sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang)
19
DAFTAR LAMPIRAN 1
Rata-rata (per jam) kecepatan angin, suhu udara, kelembaban relatif, dan radiasi global Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi
23
Rata-rata (per jam) kecepatan angin, suhu udara, kelembaban relatif, dan radiasi global Perkebunan Cimulang, Bogor
24
3
Contoh perhitungan
25
4
Rata-rata (per jam) transfer bahang terasa dan TKE pada Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi dan Perkebunan Cimulang, Bogor
28
5
Daftar konstanta
28
6
Simbol, nilai, dan satuan konstanta yang digunakan
29
7
Dokumentasi penelitian di PTPN VIII, Cimulang, Jawa Barat (a-d) dan Desa Pompa Air, Jambi (e-h)
30
2
PENDAHULUAN Latar Belakang Sebagai tanaman yang tumbuh baik di daerah beriklim tropis lembab, kelapa sawit (Elaeis guineensis) sangat potensial untuk dikembangkan di Indonesia. Bersama dengan Malaysia, kedua negara ini dapat menghasilkan lebih dari 80 % produksi minyak sawit untuk memenuhi permintaan pasar global (Koh dan Wilcove 2007; Fitzherbert et al. 2008). Menurut data Direktorat Jenderal Perkebunan (2014), dari tahun 2011 hingga 2012 Indonesia telah mengalami peningkatan luas total area perkebunan kelapa sawit hingga 6.45 %, dimana wilayah Sumatera dan Kalimantan menjadi penyumbang terbesarnya. Salah satu aspek penting yang harus diperhatikan dari tren peningkatan luas area sawit ini adalah bagaimana implikasinya terhadap lingkungan sekitar maupun di dalamnya. Karakteristik tegakan dan kanopi yang khas memberikan implikasi yang unik pada variasi unsur mikrometeorologi di dalamnya. Struktur kanopi menyerupai kubah (pada pohon sawit dewasa) yang tersusun oleh dudukan spiral pelepah atau daun majemuk (phyllotaxis) memberikan pengaruh langsung pada dinamika profil kecepatan angin dan intersepsi radiasi matahari, sehingga membentuk karakteristik lapisan perbatas (boundary layer) yang khas di atasnya. Selain mempengaruhi variasi vertikal unsur meteorologi seperti suhu udara, kandungan uap air, momentum, aerosol, partikulat, CO2, serta bahang, lapisan perbatas ini merupakan sumber dari sebagian besar energi penggerak cuaca dalam skala besar dan sirkulasi atmosfer pada umumnya (Arya 2001). Data dan informasi terkait karakteristik kekasapan permukaan banyak dibutuhkan dalam membangun berbagai model sirkulasi atmosfer, baik dalam skala mikro maupun makro, misalnya GCM. Selain itu, parameter kekasapan diperlukan dalam menghitung besar proses transport yang terjadi, seperti fluks bahang, CO2, uap air, momentum, material kimia, dan lain sebagainya. Karakteristik lapisan perbatas yang dimaksud meliputi karakteristik kekasapan permukaan (surface roughness) dan besar koefisien fluks permukaan. Melalui analisis data kecepatan angin di atas kanopi, maka dapat diketahui karakteristik kekasapan permukaannya, meliputi roughness length (π§0 ), zero plane displacement (π), friction velocity (π’β ) (McInnes et al. 1991; Kimura et al. 1999; Martano 2000; Tsai and Tsuang 2005; Yuhao et al. 2008; Cataldo and Zeballos 2009). Penelitian ini penting dilakukan mengingat belum adanya penelitian yang mengkaji lapisan perbatas permukaan di atas kawasan perkebunan kelapa sawit, sehingga penelitian ini diharapkan dapat menyediakan informasi yang lengkap dan data hasil analisis yang spesifik.
Tujuan Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan tujuan sebagai berikut: 1. Menganalisis karakteristik kekasapan permukaan (roughness parameters), meliputi roughness length (π§0 )), zero-plane displacement (π), friction velocity (π’β ), dan drag coefficient (πΆπ·) di atas kanopi perkebunan kelapa sawit.
2 2. Mengidentifikasi implikasi stabilitas atmosfer dan karakteristik kekasapan pada dinamika profil kecepatan angin, intensitas turbulensi dan turbulence kinetic energy (TKE) di atas kanopi pertanaman kelapa sawit umur 2 tahun dan 8-10 tahun. 3. Menentukan koefisien pertukaran turbulensi untuk momentum dan karakteristik transfer momentum (π), transfer bahang terasa (ππ» ), dan transfer uap air (ππΈ ) di atas perkebunan kelapa sawit. 4. Mengetahui pengaruh karakteristik turbulensi pada transfer bahang terasa dan uap air.
METODE Lokasi dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan pada dua lokasi berbeda, yaitu perkebunan sawit umur 8-10 tahun di PT. Perkebunan Nusantara VIII, Cimulang, Jawa Barat (a) dan perkebunan sawit umur 2 tahun di Desa Pompa Air, Jambi (b) seperti pada Gambar 1. Khusus di Desa Pompa Air, Jambi, penelitian ini bekerja sama dengan CRC990 EFForts Projects. Penelitian dilaksanakan dari bulan Juli 2013 hingga bulan Oktober 2013 yang meliputi perijinan, pembuatan alat, dan pengambilan data. Pengolahan dan analisis data dilakukan di Laboratorium Agrometeorologi, Departemen Geofisika dan Meteorologi, FMIPA, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Data Penelitian Pengukuran parameter mikrometeorologi di atas perkebunan kelapa sawit dilakukan dengan mendirikan mini tower pada kedua lokasi penelitian. Parameter utama yang diperlukan dalam analisis karakteristik lapisan perbatas permukaan meliputi kecepatan dan arah angin, suhu udara, dan kelembaban relatif. Untuk lokasi perkebunan Desa Pompa Air, Jambi, 3 anemometer (A), 3 sensor suhu (T) dan kelembaban udara relatif (RH) dipasang pada ketinggian logaritmik 2.4 m, 3.15 m, dan 5.8 m, serta satu sensor arah angin/wind vane (W) pada ketinggian 5.8 m. Untuk lokasi kebun Cimulang, 2 anemometer (A), 2 sensor suhu (T) dan kelembaban relatif (RH) dipasang pada ketinggian logaritmik 9 m dan 13 m, serta wind vane (W) pada ketinggian 13 m. Selain itu, digunakan pula data tambahan, yaitu radiasi global pada kedua lokasi. Ilustrasi pemasangan sensor pada kedua lokasi ditunjukkan oleh Gambar 2 di bawah.
Prosedur Analisis Data Analisis Karakteristik Mikrometeorologi Variasi diurnal profil parameter meteorologi di kedua lokasi penelitian yang meliputi kecepatan angin, suhu udara, RH, dan radiasi global diperoleh dengan
3
(a)
(b) Gambar 1 Lokasi penelitian (a) PT. Perkebunan Nusantara VIII, Cimulang, Jawa Barat dan (b) perkebunan Desa Pompa Air, Jambi
(a)
(b)
Gambar 2 Ilustrasi pemasangan sensor pada mini-tower di Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi (a) dan Perkebunan Cimulang (b) plotting data rata-rata per jamnya terhadap waktu. Sebelum plotting data terlebih dahulu dilakukan filtering data berdasarkan syarat tertentu. Dalam penelitian ini, misalnya data angin untuk wilayah Pompa Air, Jambi, hanya angin dari arah barat yang hanya memenuhi persyaratan fetch. Hal ini menjadi sangat penting karena data yang tidak memenuhi fetch dapat menunjukkan penyimpangan karakteristik sebenarnya dari wilayah/area yang ingin dikaji.
4 Stabilitas Atmosfer Kestabilan atmosfer dibagi atas tiga kategori menurut bilangan Richardson (π
π), stabil (π
π > 0.01), netral (-0.01 β€ π
π β€ 0.01), dan tidak stabil (π
π < -0.01). Bilangan Richardson dihitung berdasarkan persamaan berikut (Thom 1975; Oke 1978; Arya 2001): π
π =
ππ ) ππ§ ππ’ 2 ππ ( ) ππ§
π(
(1)
dimana g adalah percepatan gravitasi (9.8 m/s2), ΞΈ adalah suhu potensial (K); π = π β π€π π§, dengan Ξd adalah dry adiabatic lapse rate sebesar -0.00976 K/m dan T merupakan suhu absolut (K) pada ketinggian z (m), dan πa adalah suhu potensial pada ketingian za (K); π§π = (π§1 π§2 )1/2 . Karakteristik Kekasapan Permukaan Pada kondisi atmosfer netral, dimana tegakan yang menutupi permukaan datar/rata relatif homogen dengan jarak antar elemen yang teratur, profil logaritmik kecepatan angin terhadap ketinggian memenuhi persamaan berikut: π ππ(π§ β π) = π’β π’(π§) + πππ§0 (2) 2
π0 = 3 β
(3)
π=
(4)
π=
Ξπ’ 2 [π2 ( ) π§1 ]βπ§3 Ξπ’β² Ξπ’ 2 π2 ( ) β1 Ξπ’β² ππ(π§3 βπ0 )βππ(π§2 βπ0 ) [(π§3 βπ0 )(π§2 βπ0 )]β0.5 ππ(π§2 βπ0 )βππ(π§1 βπ0 ) [(π§2 βπ0 )(π§1 βπ0 )]β0.5
(5)
dimana π§: ketinggian pengukuran (m), π’(π§): kecepatan angin (m/s) pada ketinggian π§, π: konstanta Von Karman (0.4), π: perpindahan bidang nol (m), π’β : kecepatan kasap (m/s), π§0 : panjang kekasapan (m), π0 : initial zero-plane dispalcement (m), β: tinggi rata-rata elemen kekasapan (m), Ξπ’ = π’(π§2 ) β π’(π§1 ), Ξπ’β² = π’(π§3 ) β π’(π§2 ), dimana π§1 < π§2 < π§3 . Parameter kekasapan yang meliputi zero-plane displacement (π ), friction velocity (π’β ), dan roughness length (π§0 ) dapat juga ditentukan dengan metode trial and error, dimana nilai π dari hasil ekstrapolasi ln(π§ β π) dan π’(π§) dipilih dari nilai r2 tertinggi, yaitu mendekati 1. Kemudian nilai π digunakan untuk menghitung π’β dan π§0 . Dengan cara yang sama seperti tahap sebelumnya, ln(π§ β π) diplotkan terhadap kecepatan angin (π’) pada bidang kartesius. Nilai slope dan intersection point dari persamaan regresi linier π¦ = π + ππ₯ yang terbentuk dapat digunakan untuk menentukan nilai π’β dan π§0 berdasarkan persamaan (2). Koefisien Drag (CD) pada Kondisi Atmosfer Netral Ketika kondisi atmosfer netral, efek buoyancy dianggap tidak ada, sehingga proses fisik yang mencermikan kekasapan permukaan di bawahnya memenuhi persamaan berikut: 1
π’β = (π/π)2 π πΆπ· = ππ’ 2 π§
(6) (7)
5 dengan melakukan substitusi persamaan (6) dengan persamaan (7), maka besra koefisien drag dapat diperoleh dengan persamaan (8): 2 πΆπ· = (π’ ββπ’π ) (8) 2 3 dimana π adalah transfer momentum (N/m ), π adalah kerapatan udara (kg/m ), dan π’π adalah kecepatan angin rata-rata pada ketinggian referensi (π§π ). Arya (2001) menyebutkan bahwa ketinggian referensi adalah 10 meter dari permukaan tanah untuk jenis kekasapan rendah dan sedang ( π§0 < 0.1 m), sedangkan pada jenis kekasapan tinggi (misalnya hutan), nilai ketinggian referensi minimal 1.5 kali ketinggian elemen kekasapan. Intensitas Turbulensi dan Turbulence Kinetic Energy (TKE) Intensitas turbulensi merupakan perbandingan perturbasi kecepatan angin dari nilai rata-ratanya. Sementara itu, TKE ditentukan oleh nilai varians komponen kecepatan angin π’, π£, dan π€ seperti pada persamaan berikut: π πΌ = π’Μ
π’ (9) 2 2 2] ππΎπΈ = 0.5[ππ’ + ππ£ + ππ€ (10) Untuk kondisi atmosfer stabil, standar deviasi kecepatan angin pada lapisan perbatas dengan ketebalan β bervariasi terhadap ketinggian π§ dengan persamaan berikut (Stull 2000): ππ’ = 2π’β [1 β (π§/β)]3/4 (11) ππ£ = 2.2π’β [1 β (π§/β)]3/4 (12) β [1 3/4 ππ€ = 1.73π’ β (π§/β)] (13) sedangkan pada kondisi netral: ππ’ = 2.5π’β ππ₯π(β1.5 Γ π§/β) (14) β [1 ππ£ = 1.6π’ β 0.5(π§/β)] (15) ππ€ = 1.25π’β [1 β 0.5(π§/β)] (16) dan pada kondisi tidak stabil, dengan ketebalan lapisan perbatas π§π nilai standar deviasi bervariasi terhadap ketinggian π§ sebagai berikut: ππ’ = 0.11π€π΅ (π§/π§π )1/3 [1 β 0.7(π§/π§π )] (17) ππ£ = 0.08π€π΅ [0.5 + 0.4(1 β π§/π§π )2 ] (18) 1/3 ππ€ = 0.11π€π΅ (π§/π§π ) [1 β 0.8(π§/π§π )] (19) dimana π€π΅ adalah buoyancy velocity scale yang berperan pada keefektifan proses tansfer bahang: |π|π§π
π€π΅ = [π
π£ ππΏ
1/2
(ππ£ π ππ β ππ£ ππΏ )]
(20)
atau dengan skala kecepatan konvektif lainnya, The Deardorff velocity (π€ β ): π€β = [
|π|π§π ππ£
π
(πΆ π»π)] π
(21)
dimana π€π΅ = (1/0.08) π€ β , π adalah percepatan gravitasi, ππ£ ππΏ dan ππ£ adalah suhu potensial virtual dan suhu virtual pada mixed layer, ππ£ π ππ adalah suhu-permukaan virtual, ππ» merupakan transfer bahang terasa (W/m2), dan πΆπ adalah panas spesifik pada tekanan konstan sebesar 1004.2 J/(kg K). Perhitungan TKE pada penelitian ini hanya dilakukan pada kondisi atmosfer tidak stabil atau secara umum terhitung dari jam 07.00 hingga 17.00 WIB. Oleh karena itu, dalam perhitungannya dibutuhkan nilai ketebalan mixing layer (π§π ). 2π π§π 2 = Ξππ΄πΎ (22) Ξπ§
6 Ξπ
ππππππ dimana Ξπ§ adalah gradien suhu potensial terhadap ketinggian (lapse rate) (K/m), ππ΄πΎ adalah pemanasan komulatif yang dapat ditentukan dengan persamaan berikut: ππ»πππ₯ π· ππ‘ ππ΄πΎ = πππΆ [1 β πππ ( π· )] (23) π
Koefisien Pertukaran Turbulensi untuk Momentum ( πΎπ ) dan Transfer Momentum (π) Nilai πΎπ dan π pada kondisi atmosfer netral, dimana dianggap tidak ada pengaruh buoyancy memenuhi persamaan berikut: πΎπ (π§) = ππ§π’β (24) ππ’ π = π πΎπ ππ§ (25) Transfer Bahang Terasa (ππ» ) pada Berbagai Kestabilan Atmosfer Untuk kondisi atmosfer netral, transfer bahang dapat ditentukan dengan persamaan berikut: ππ ππ» = ππΆπ πΎπ» ππ§ (26) 2 dimana ππ» merupakan transfer bahang terasa (W/m ), πΆπ adalah panas spesifik pada tekanan konstan sebesar 1004.2 J/(kg K), dan πΎπ» adalah koefisien diffusivitas untuk bahang terasa (m2/s) yang besarnya sama dengan πΎπ (m2/s) pada kondisi atmosfer netral. Pada kondisi atmosfer tidak netral, sebelum menentukan besar ππ» terlebih dahulu melakukan koreksi pada stabilitas atmosfernya dengan menggunakan persamaan (Businger et al. 1971; Arya 2001): οΊ = Ri pada Ri < 0 (27) οΊ = Ri/(1-5Ri) pada 0 ο£ Ri ο£ 0.1 (28) οΊ = 0.2 pada Ri > 0.1 (29) kemudian ππ dan ππ dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan: οͺs = οͺm2 = (1-15 οΊ)-1/2 untuk οΊ < 0 (30) οͺs = οͺm = 1+5 οΊ untuk οΊ ο³ 0 (31) dimana οΊ merupakan Monin-Obukhov stability parameter, ππ adalah dimensionless gradient of ο±, dan ππ adalah dimensionless wind shear. Nilai ππ dan ππ kemudian digunakan untuk menghitung besar transfer bahang terasa sebagai berikut: (π’ βπ’1 )(π2 βπ1 ) ππ» = ππΆπ π 2 2 π§ βπ (32) 2 [ππ( 2
π§1 βπ
)] ππ ππ
dimana ππ» merupakan besar transfer bahang terasa dalam W/m2, dan π adalah kerapatan udara (kg/m3), dimana 273.15 π = 1.293 π (32) Transfer Uap Air (ππΈ ) pada Kondisi Atmosfer Tidak Stabil Untuk kondisi atmosfer netral, transfer uap air dapat ditentukan langsung dari persamaan berikut: π ππ ππΈ = πΏ π ππ πΎπΈ ππ§π (34) 2 dimana ππΈ adalah transfer uap air (W/m ) = 0.0337ππΈ (mm/hari), πΏ adalah latent heat vaporization (J), dimana πΏ = 2.50 Γ 106 β 2400π (35)
7 π adalah molar mass ratio (0.622), π adalah tekanan atmosfer (hPa), dan KE adalah koefisien diffusivitas untuk uap air (m2 s-1), nilai πΎπΈ = πΎπ pada kondisi netral, serta ππ tekanan uap air (hPa) yang dapat dihitung dengan persamaan berikut: ππ π
π» ππ = 100 (36) 17.2694π
ππ = 6.1078ππ₯π ( π+237.3 ) (37) dengan ππ tekanan uap air jenuh dalam satuan hPa. Khusus pada kondisi atmosfer tidak stabil, sebelum menentukan besar ππΈ terlebih dahulu melakukan koreksi kestabilan atmosfer menggunakan persamaan (27)-(29) di atas. Setelah memperoleh nilai ππ dan ππ dari persamaan (30) dan (31), kemudian menghitung besar transfer uap air dengan persamaan berikut: (π’ βπ’1 )(π2 βπ1 ) ππΈ = πΏππ π 2 2 π§ βπ (38) 2 [ππ( 2
π§1 βπ
)] ππ ππ
dimana π adalah kelembaban relatif spesifik (kg/kg), dimana 0.622π π = πβ0.378ππ π
(39)
HASIL DAN PEMBAHASAN Lapisan Perbatas (Boundary Layer) Atmospheric Boundary Layer (ABL) didefinisikan oleh Arya (2001) sebagai suatu lapisan fluida (cair atau gas) dengan ketebalan dan karakteristik yang khas akibat interaksi langsung atmosfer dengan elemen kekasapan permukaan di bawahnya. Ketebalan lapisan perbatas pada troposfer bumi ditandai oleh variasi kecepatan angin secara vertikal, mulai dari ~0 m/s (tepat di atas permukaan kasap) hingga mencapai maksimum pada ketinggian tertentu di atas permukaan. Pada umumnya, ketinggian dasar awan sering kali direpresentasikan sebagai puncak lapisan perbatas ini. Secara spasial dan temporal, ketebalan lapisan ini sangat bervariasi, dapat mencapai 0.2-5 km pada siang hari dan 0.02-0.5 km pada malam hari, tergantung pada faktor pemanasan dan pendinginan permukaan, kecepatan angin, dan karakteristik elemen kekasapan serta topografi permukaan. Menurut Arya (2001), faktor adveksi bahang dan uap air, pergerakan massa udara vertikal skala besar seperti supsidensi, konvergensi, dan divergensi massa udara juga sangat menentukan ketebalan ABL. Karakteristik yang khas selain variasi vertikal kecepatan angin pada lapisan ini yaitu variasi temperatur udara, uap air, dan polutan. Lapisan perbatas atmosfer yang disebut juga Planetary Boundary Layer (PBL) terdiri dari dua lapisan utama, yaitu lapisan perbatas permukaan (surface layer) dan lapisan luar (outer layer). Skema profil lapisan perbatas sebagai bagian terbawah dari troposfer bumi dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah. Outer layer atau yang dikenal sebagai spiral layer atau Ekman layer cenderung didominasi oleh mekanisme percampuran vertikal massa udara (vertical mixing). Surface layer atau yang dikenal sebagai constant-flux layer, dimana terjadi gradien terbesar kecepatan angin, suhu udara, dan kelembaban. Selain itu, pada lapisan ini juga merupakan lapisan dimana pertukaran momentum, bahang, dan
8
Gambar 3 Skema lapisan perbatas atmosfer (Merujuk dari Arya 2001)
massa terbesar dalam PBL. Pada penelitian ini lebih difokuskan pada lapisan surface layer ini. Di dekat tajuk/kanopi tanaman terdapat lapisan kasap, dimana karakteristik atmosfer lapisan tersebut masih mendapatkan pengaruh besar dari individu elemen kekasapan sehingga tidak merepresentasikan karakteristik dalam skala yang lebih luas.
Karakteristik Mikrometeorologi di Atas Perkebunan Kelapa Sawit Gambar 4 menunjukan variasi diurnal iklim mikro yang berbeda dari area perkebunan umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang). Pagi hingga tengah hari, pemanasan udara di atas perkebunan umur 8-10 tahun terjadi lebih cepat dibandingkan di atas perkebunan umur 2 walaupun radiasi global ratarata Cimulang lebih rendah. Hal ini terjadi akibat percampuran massa udara dekat permukaan kanopi yang lebih efektif pada umur 8-10 tahun karena intensitas turbulensinya yang lebih tinggi. Turbulensi yang terbentuk erat kaitannya dengan tingkat kekasapan permukaan. Suhu udara yang dibangkitkan oleh radiasi matahari memberikan pengaruh langsung pada tingkat kelembaban udara. Pemanasan permukaan yang menyebabkan peningkatan suhu udara akan menaikkan kapasitas udara untuk menampung uap air. Hal ini akan mendorong penurunan RH secara kontinu hingga suhu udara mencapai maksimum (Β±2 jam setelah radiasi mencapai maksimum). Flukstuasi RH tidak begitu besar dan cenderung naik saat malam hari, yaitu ketika suhu udara mengalami inversi dan atmosfer lebih mampat. Berdasarkan Gambar 4 di bawah, diketahui bahwa RH di atas perkebunan umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) Μ
Μ
Μ
Μ
= 87%) dibandingkan di atas perkebunan umur 8-10 tahun lebih tinggi ( π
π» Μ
Μ
Μ
Μ
(Cimulang) (π
π» = 80%). Namun di sore hari (14.00-18.00) RH di umur 2 tahun
9 menjadi lebih rendah akibat suhu udara mencapai maksimum pada pukul 15.00 sebagai implikasi dari puncak radiasi pada 2 jam sebelumnya di wilayah Pompa Air, Jambi. Berdasarkan Gambar 5 di bawah, baik pada umur 8-10 tahun maupun umur 2 tahun, profil kecepatan angin meningkat terhadap ketinggian.dan meningkat terhadap menurunnya kondisi kestabilan atmosfer dan mencapai puncak di siang hari. Kekasapan permukaan menyebabkan gaya gesek angin, sehingga gerakan massa udara dekat permukaan menjadi teredam dan kecepatan angin mendekati nol. Namun, dari gambar profil angin untuk Cimulang, terdapat perbedaan kecepatan angin yang sangat besar antara ketinggian 9 sampai 13 m. Hal ini disebabkan oleh pemasangan sensor anemometer pada ketinggian 9 m masih berada pada roughness layer, sehingga masih mendapatkan pengaruh dari individu pohon kelapa sawit.
800
Radiasi Global (Pompa Air, Jambi)
700
Radiasi Global (Cimulang)
600 500 400
W/m2
300 200 100 0 35 140
25
120
20
100
15
80
RH (%)
T (oC)
30
10 60
5
40
0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
0
Waktu Pengukuran Ta (2.4-5.8 m), Pompa Air Jambi RH, z = 2.4 m (Pompa Air, Jambi) RH, z =5.8 m (Pompa Air, Jambi)
Ta (9-13 m), Cimulang RH, z = 9 m (Cimulang) RH, z = 13 m (Cimulang)
Gambar 4 Variasi diurnal rata-rata radiasi global, suhu udara dan kelembaban relative (RH) di atas perkebunan kelapa sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) serta perkebunan umur 8-10 tahun (Cimulang)
2
2.0
1.5
1.5
Ε« (m/s)
1 0.5
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
0
1.0 0.5 0.0
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
Ε« (m/s)
10
Waktu Pengukuran
Waktu Pengukuran
5.80m
3.15m
2.40m
9m
13 m
Gambar 5 Profil kecepatan angin di atas perkebunan kelapa sawit Pompa Air, Jambi (2.4 m, 3.15 m, 5.8 m) dan Cimulang (9 m, 13m)
Karakteristik Kekasapan Permukaan dan Implikasinya pada Profil Kecepatan Angin
Ln(z-d)
Karakteristik kekasapan permukaan dapat ditunjukkan oleh tiga parameter kekasapan, yaitu perpindahan bidang nol (π), panjang kasap (π§0 ), dan kecepatan kasap ( π’β ) yang diturunkan dari profil kecepatan angin pada kondisi netral. Perpindahan bidang nol (π) menunjukkan ketinggian dimana kecepatan angin sama dengan nol. Berdasarkan hasil perhitungan π pada kedua lokasi, diperoleh nilai perpindahan bidang nol untuk perkebunan sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) sebesar 1.9 m dan umur 8-10 tahun (Cimulang) sebesar 7.98 m. Untuk jenis vegetasi pohon nilai π cenderung naik dengan semakin rapatnya tutupan kanopi dan tinggi tegakan. Hal ini sesuai dengan Chang (1968) dalam June (1987) yang menyatakan parameter perpindahan bidang nol (π) sebagai fungsi dari densitas, tinggi tajuk, dan kondisi mekanik tegakan.
8 6 4 2 0 -2 0 -4 -6 -8 -10
z0 = 0.5225 m
Ε« (m/s) 1
z0 = 0.0005 m
2
3
4
5
Pompa Air, Jambi Cimulang
Gambar 6 Penentuan panjang kekasapan (π§0 ) dan kecepatan kasap (π’β ) pada perkebunan umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan umur 8-10 tahun (Cimulang)
11
7 6 5 4 3 2 1 0
z (m)
z (m)
Berdasarkan Gambar 6, panjang kasap ( π§0 ) diturunkan dari eksponesial intersepsi garis regresi pada sumbu y (ln(π§ β π)), yaitu sebesar 0.0005 m untuk umur 2 tahun dan sebesar 0.5225 m untuk umur 8-10 tahun. Kedua nilai ini menunjukkan ketinggian dimana momentum diredam oleh permukaan tajuk. Kemudian, kecepatan kasap (π’β ) pada kedua lokasi, yaitu sebesar 0.16 m/s untuk umur 2 tahun dan sebesar 0.26 m/s untuk umur 8-10 tahun. Sama seperti π, nilai π§0 dan π’β keduanya juga dipengaruhi oleh kerapatan tajuk, struktur, dan tinggi tegakan. Menurut Azevedo dan Verma (1989) dalam Kimura et al. (1999), menyebutkan bahwa angin yang kencang dapat mengurangi besar π§0 terutama pada tanaman yang kurang kokoh (steady) yang mengikuti posisi streamline terhadap gerakan angin. Tingkat kekasapan dan stabilitas atmosfer memberikan pengaruh besar pada profil kecepatan angin. Seperti pada Gambar 7 di bawah ini, dapat terlihat hubungan yang jelas antara profil kecepatan angin pada setiap kondisi kestabilan atmosfer dengan tingkat kekasapan permukaan.
z0 = 0.0005 m d = 1.9 m 0
1
2 Ε« (m/s)
3
14 12 10 8 6 4 2 0
z0 = 0.52 m d = 7.98 m
0
0.5 1 Ε« (m/s)
-
-
1.5
-
Gambar 7 Hubungan kekasapan dan kestabilan atmosfer (( ) stabil, ( ) netral, ( ) tidak stabil) pada profil kecepatan angin
Berdasarkan gambar di atas, diketahui bahwa kecepatan angin di kondisi tidak stabil lebih tinggi daripada di kondisi netral dan stabil. Pada kondisi stabil, atmosfer mengalami pendinginan dan lebih mampat sehingga mengakibatkan shear stress yang lebih besar dibandingkan saat kondisi tidak stabil. Semakin tinggi shear stress maka akan semakin besar pergerakan massa udara yang tereduksi. Sementara itu, pada kondisi netral dimana gradien suhu terhadap ketinggian relatif kecil dan densitas massa udara cenderung seragam, variasi kecepatan angin secara vertikal merupakan implikasi dari karakteristik kekasapan itu sendiri (Paulson 1970). Tingkat kekasapan memberikan pengaruh pada profil vertikal kecepatan angin. Kecepatan angin meningkat secara logaritmik terhadap ketinggian, dan mendekati nol di dekat permukaan. Pada Gambar 7 memperlihatkan gradienvertikal kecepatan angin yang lebih besar di atas perkebunan sawit umur 8-10 tahun (Cimulang). Hal ini disebabkan oleh shear stress yang lebih besar akibat kekasapan yang jauh lebih tinggi di banding di atas perkebunan sawit 2 tahun. Besar shear stress berkorelasi positif dengan koefisien drag ( πΆπ· ). Nilai πΆπ· menunjukkan
12 kuadrat rasio kecepatan tangensial pergerakan udara akibat turbulensi mekanik terhadap kecepatan angin pada ketinggian tertentu (Priestley 1959).
Tabel 1 Nilai drag coefficient (πΆπ·) pada ketinggian maksimum pengukuran (π§πππ₯ ) dan ketinggian referensi (π§π )* untuk perkebunan Pompa Air, Jambi dan perkebunan Cimulang Pompa Air, Jambi Ketinggian πΆπ· 0.0007-0.0171 π§πππ₯ = 5.8 m 0.0007-0.0118 π§π = 10 m
Ketinggian π§πππ₯ = 13 m π§π = 16 m
Cimulang πΆπ· 0.0195-0.0482 0.0144-0.0305
*Ketinggian referensi (π§π ) menggunakan data kecepatan angin hasil estimasi berdasarkan persamaan (2)
Nilai πΆπ· pada kondisi netral di atas perkebunan umur 2 tahun dan umur 8-10 tahun dapat dilihat pada tabel di atas. Dalam penghitungan nilai πΆπ· idealnya dilakukan pada ketinggian referensi ( π§π ). Seperti dalam Arya (2001), standar ketinggian referensi yang dimaksud adalah sekitar 10 meter pada jenis kekasapan rendah sampai sedang. Untuk jenis kekasapan tinggi, standar ketinggian referensi minimal sebesar 1.5 kali ketinggian rata-rata elemen kekasapan. Karena di perkebunan 2 tahun, Pompa Air, Jambi tergolong kekasapan sedang, maka dalam perhitungan πΆπ· digunakan data kecepatan angin hasil estimasi pada ketinggian 10 m. Sementara pada perkebunan 8-10 tahun, Cimulang yang tergolong kekasapan tinggi digunakan data kecepatan angin hasil estimasi pada ketinggian 16m. Namun, perlu untuk membandingkan hasil perhitungan πΆπ· pada ketinggian referensi dengan hasil perhitungan pada ketinggian puncak pengukuran. Dari tabel di atas menunjukkan besar πΆπ· pada ketinggian referensi relatif lebih kecil dibandingkan pada ketinggian maksimum pengukuran, namun masih dalam kisaran rentang nilai yang hampir sama. Berdasarkan tabel tersebut dapat diketahui pula bahwa nilai πΆπ· di atas perkebunan 2 tahun cenderung lebih kecil dibandingkan di atas perkebunan umur 8-10 tahun. Hal ini menunjukkan bahwa semakin kasap suatu bidang permukaan akan memiliki nilai πΆπ· yang semakin besar karena semakin besarnya tegangan permukaan atau stress (π) yang terjadi ketika pergerakan massa udara berinteraksi dengan permukaan kasap. Selain tingkat kekasapan, variasi nilai πΆπ· juga tergantung pada besar kecepatan angin. Berdasarkan Gambar 8, dapat diketahui bahwa πΆπ· semakin menurun dengan bertambahnya kecepatan angin. Kecepatan angin yang tinggi menyebabkan bagian atas permukaan kanopi dalam posisi streamline mengikuti arah gerakan angin yang berimplikasi pada pengurangan gaya gesek yang terjadi antara gerakan massa udara dengan permukaan kasap. Oleh karena itu, nilai πΆπ· akan semakin menurun. Begitu pula Deacon (1953) dalam Priestley (1959) menunjukkan adanya pengaruh kecepatan angin pada πΆπ· 2 meter di atas permukaan rumput (β = 0.6-0.7m). Berbeda halnya pada permukaan licin, misalnya permukaan air. Nilai πΆπ· tidak dipengaruhi oleh besar kecepatan angin rata-rata. Seperti pada penelitian Sethurahman dan Raynor (1975) yang mengkaji pengaruh kekasapan aerodinamik permukaan laut terhadap koefisien drag permukaan, dari
13 hubungan regresi πΆπ· terhadap kecepatan angin rata-rata yang terbentuk cenderung menunjukkan tidak adanya pengaruh kecepatan angin, melainkan tingkat kekasapan permukaan itu sendiri.
0.01
CD
0.008 0.006 0.004 0.002 0 0
1
2
3
4
5
u (m/s) z = 5.8 m
z = 10 m (reference height)
Log. (z = 5.8 m)
Log. (z = 10 m (reference height))
(a) 0.06 0.05
CD
0.04 0.03 0.02 0.01 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
u (m/s)
Gambar 8
z = 13 m
z = 16 m (reference height)
Log. (z = 13 m)
Log. (z = 16 m (reference height))
(b) Korelasi koefisien drag (πΆπ·) dengan kecepatan angin di atas pekebunan sawit umur 2 tahun dan umur 8-10 tahun pada kondisi atmosfer netral
14
Intensitas Turbulensi dan Turbulence Kinetic Energy (TKE) di Atas Pertanaman Kelapa Sawit Turbulensi menunjukkan gejala penyimpangan/perturbasi kecepatan angin dari nilai rata-ratanya. Perturbasi/gangguan tersebut umumnya didorong oleh buoyancy dan gesekan antara aliran udara dengan permukaan atau antar aliran massa udara (Arya 2001). Kedua mekanisme tersebut menentukan besar kecilnya TKE di atas permukaan kasap. Gambar 9 mempresentasikan kecenderungan peningkatan turbulensi terhadap ketinggian, dengn intensitas turbulensi rata-rata harian di atas pertanaman sawit umur 2 tahun berturut-turut terhadap ketinggian sebesar 0.45, 0.49, dan 0.56, sedangkan di atas pertanaman umur 8-10 tahun berturut-turut 0.56 dan 0.63. Besar intensitas turbulensi khusus pada kondisi atmosfer tidak stabil dapat dilihat pada Tabel 2. Intensitas turbulensi pada kondisi atmosfer tidak stabil di atas pertanaman sawit umur 8-10 tahun berturut-turut naik terhadap ketinggian: 0.45 dan 0.47. Demikian halnya intensitas turbulensi di atas pertanaman sawit 2 tahun, yaitu 0.35, 0.36, 0.37 yang naik terhadap ketinggian. Nilai I berbanding lurus dengan TKE, dimana skala kecepatan turbulensi sebanding dengan akar kuadrat dari TKE (Tennekes dan Lumley 1972 dalam Arya 2001). TKE di atas pertanaman umur 810 tahun lebih besar daripada umur 2 tahun. Nilai TKE maksimum pada kondisi tidak stabil untuk lokasi kebun Cimulang berturut-turut terhadap meningkat terhadap ketinggian yaitu 0.33, dan 0.34 m2/s2, sedangkan lokasi kebun Pompa Air, Jambi berturut-turut 0.26, 0.27, dan 0.29 m2/s2 terhadap ketinggian. Saat kondisi atmosfer tidak stabil (misalnya siang hari), selain produksi buoyancy dan wind shear, besar kecilnya turbulensi sebagai bentuk acak (chaotic) dari pergerakan massa udara dapat pula dipengaruhi oleh adveksi massa udara yang membawa TKE dari lokasi lain. Angin yang membawa TKE yang besar dari suatu tempat akan meningkatkan turbulensi di lokasi yang dilewatinya. Selain itu, turbulensi juga dapat mentransfer TKE secara vertikal seperti yang disebutkan dalam Stull (2000). Adanya penambahan TKE akan mempertahankan pembentukan turbulensi. Hal ini karena turbulensi memiliki sifat disipatif, dimana TKE dikonversi menjadi energi internal secara kontinu untuk mempertahankan gerakan turbulen massa udara (Arya 2001). Penentuan nilai TKE pada kondisi atmosfer tidak stabil di atas kanopi perkebunan memerlukan informasi ketebalan lapisan pencampur (π§π ) pada kedua lokasi. Ketebalan π§π merupakan fungsi dari gradien suhu virtual udara dengan transfer komulatif bahang terasa. Dengan menganggap hubungan yang terbentuk merupakan fungsi luasan segitiga siku-siku, dimana alas merepresentasikan gradien suhu virtual, tinggi segitiga adalah ketebalan π§π , dan luasa segitiga merupakan besar transfer komulatif bahang terasa, maka ketebalan lapisan ini dapat ditentukan (Stull 2000). Dari hasil perhitungan, ketebalan maksimum rata-rata zi di atas perkebunan Pompa Air, Jambi dan Cimulang berturut-turut 562.02 m dan 550.51 m. Beberapa faktor utama yang menentukan ketebalan lapisan ini yaitu kekasapan permukaan, tingkat pemanasan permukaan, tingkat keawanan, stabilitas atmosfer, dan kecepatan angin.
15
14 12
z (m)
10 8 6 4 2 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
I I (24 jam), Cimulang
I (24 jam), Pompa Air, Jambi
Gambar 9 Variasi nilai turbulensi terhadap ketinggian di atas Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi dan Cimulang.
Tabel 2 Nilai rata-rata Intensitas turbulensi dan TKE pada kondisi atmosfer tidak stabil di atas perkebunan kelapa sawit Desa Pompa Air, Jambi (umur 2 tahun) dan Cimulang (Umur 8-10 tahun) π§ (m) πΌ TKE
2.4 0.35 0.26
Pompa Air, Jambi 3.15 5.8 0.36 0.37 0.27 0.29
Cimulang, Bogor 9 13 0.45 0.47 0.33 0.34
Kecepatan angin rata-rata yang rendah di atas permukaan kasap, shear stress yang terjadi akan menyebabkan lebih besarnya perturbasi dibandingkan ketika kecepatan angin rata-rata tinggi. Hal ini mengakibatkan ketebalan lapisan perbatas pada kondisi kecepatan angin rendah lebih tebal, sehingga proses transfer yang terjadi di dalamnya akan melewati ruang yang lebih panjang dalam proses difusi. Sebaliknya, pada lapisan perbatas yang lebih tipis yaitu pada kecepatan angin tinggi, proses difusi yang terjadi akan semakin cepat (June 2001).
Koefisien Pertukaran Turbulensi/Eddy untuk Momentum dan Transfer Momentum di Atas Perkebunan Kelapa Sawit Gradien kecepatan angin vertikal memicu transfer momentum dari atmosfer ke permukaan. Besar transfer momentum berbanding lurus dengan besar koefisien pertukaran turbulensinya (πΎπ ). Nilai πΎπ merupakan fungsi dari kecepatan kasap (π’β ). Berdasarkan Tabel 3, dapat diketahui bahwa koefisien pertukaran turbulensi untuk momentum (πΎπ ) dan transfer momentum (π) semakin meningkat dengan
16
Tabel 3 Nilai koefisien transfer momentum (πΎπ ) dan besar transfer momentum rata-rata ( π ) pada tiga level ketinggian untuk wilayah perkebunan Pompa Air, Jambi dan Cimulang Pompa Air, JAmbi πΎπ (m2/s) π (N/m2) 0.1200 0.0291 0.1575 0.0382 0.2900 0.0703
z 2.4 m 3.15 m 5.8 m
z 9m 10 m 13 m
Cimulang πΎπ (m2/s) 0.9490 1.0544 1.3707
π (N/m2) 0.3138 0.3486 0.4532
0.012 0.01 0.008
Ri
0.006 0.004 0.002 0 -0.002
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Km (m/s2)
-0.004 -0.006 5.8 m
Umur 2 tahun, Pompa Air, Jambi
3.15 m 2.4 m 9m
Umur 8-10 tahun, Cimulang
10 m 13 m
Gambar 10 Korelasi antara koefisien pertukaran turbulensi untuk momentum (πΎπ ) dengan bilangan Richardson (π
π) ketinggian. Secara tidak langsung juga menunjukkan bahwa πΎπ dan π berkorelasi positif dengan kecepatan angin. Di dekat permukaan tajuk kelapa sawit, nilai πΎπ sekitar 0.16 m2/s dan π sekitar 0.07 N/m2 untuk umur 2 tahun dan πΎπ sekitar 0.93 m2/s dengan π sebesar 0.30 N/m2 untuk umur 8-10 tahun. Selain karena gradien kecepatan angin yang lebih besar, nilai π§0 yang lebih besar pada perkebunan sawit 8-10 tahun menyebabkan πΎπ dan π di atas tanaman umur ini mencapai 5 kali besar πΎπ pada tanaman umur 2 tahun.
17 Hubungan antara πΎπ dengan kestabilan atmosfer yang ditunjukkan oleh bilangan Richardson seperti pada Gambar 10 adalah berkorelasi negatif. Nilai πΎπ semakin meningkat dengan menurunnya nilai π
π (mendekati kondisi tidak stabil). Perubahan nilai π
π sangat besar pengaruhnya pada nilai πΎπ untuk pertanaman umur 8-10 tahun (Cimulang) yang ditunjukkan oleh kemiringan kurva regresi yang landai dibandingkan dengan pertanaman umur 2 tahun. Hal ini cukup beralasan karena faktor kecepatan angin yang lebih tinggi pada kondisi atmosfer mendekati tidak stabil. Tingkat kekasapan yang tinggi pada pertanaman umur 8-10 tahun menyebabkan shear stress yang semakin tinggi sehinga meningkatkan gradien kecepatan angin antar ketinggian.
Transfer Bahang Terasa (Sensible Heat Flux) Bahang terasa merupakan bagian dari neraca energi yang berperan dalam proses pemanasan udara. Transfer bahang terasa ini terjadi sepanjang waktu, hanya saja berfluktuasi dalam besaran dan arahnya. Seperti pada Gambar 11, nilai ππ» sangat kecil sekali dengan tanda positif pada kondisi atmosfer stabil (malam hari) dan menjadi sangat besar dengan tanda negatif pada kondisi atmosfer tidak stabil (siang hari). Pada kondisi atmosfer netral, nilai ππ» mendekati nol karena gradien suhu vertikal mendekati nol. Tanda positif untuk ππ» di malam hari menunjukkan bahwa aliran fluks bahang terasa terjadi dari atmosfer ke permukaan, sebaliknya tanda negatif untuk ππ» pada siang hari menunjukkan aliran fluks bahang terasa terjadi dari permukaan ke atmosfer. Saat malam hari, laju pencaran radiasi gelombang panjang dari permukaan relative lebih cepat daripada laju pancaran dari udara. Hal ini menyebabkan lapisan atmosfer di ketinggian tertentu menjadi lebih hangat dibandingkan dengan lapisan atmosfer di dekat permukaan. Kondisi yang disebut dengan inversi (gradien suhu udara bertanda negatif) ini mendorong perpindahan panas atau bahang dari atmosfer yang lebih hangat ke lapisan di bawahnya di dekat permukaan. Dalam arah yang sebaliknya, aliran bahang terjadi dari permukaan ke atmosfer di atasnya saat siang hari, yaitu ketika pemanasan intensif permukaan oleh radiasi gelombang pendek menyebabkan permukaan dan 20
-20 -40
0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00
QH (W/m2)
0
Waktu
-60 -80 -100
Pompa Air, Jambi (2.4-5.8 m)
Cimulang (9-13 m)
Gambar 11 Variasi diurnal transfer bahang terasa di atas pertanaman kelapa sawit umut 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang)
18 Tabel 4 Korelasi transfer bahang terasa (ππ» ) dengan Richardson Number (π
π), gradien vertikal suhu udara (ππ), kecepatan angin rata-rata (Ε«), dan radiasi global QH
π
π ππ Ε« Radiasi global
Umur 2 tahun, Pompa Air Jambi -0.80 0.99 0.70 0.96
Umur 8-10 tahun, Cimulang -0.80 0.90 0.75 0.83
0.6 0.4 0.0 -0.2
23:00 22:00 21:00 20:00 19:00 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 9:00 8:00 7:00 6:00 5:00 4:00 3:00 2:00 1:00 0:00
dT (C)
0.2
-0.4 -0.6 -0.8 -1.0
Waktu Pengukuran 2 per. Mov. Avg. (Pompa Air, Jambi (2.4-5.8 m)) 2 per. Mov. Avg. (Cimulang (9-13 m))
Gambar 12 Variasi perbedaan suhu secara vertikal di atas pertanaman sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang) udara di dekatnya menjadi lebih hangat dibandingkan dengan lapisan udara beberapa level di atasnya (gradien suhu udara positif). Berdasarkan Gambar 11, pada pagi hingga tengah hari ππ» di atas pertanaman umur 8-10 tahun lebih besar daripada ππ» di atas pertanaman umur 2 tahun dan terjadi sebaliknya pada tengah hari hingga sore sebelum matahari terbenam. Pada malam hari, nilai ππ» di atas pertanaman sawit 8-10 tahun dapat mencapai 10 kali ππ» di atas pertanaman sawit 2 tahun. Jika dilihat dari angka korelasi pada Tabel 4, maka diperkirakan nilai ππ» di kedua lokasi dipengaruhi kuat oleh perbedaan suhu udara antar ketinggian (ππ) yang dibangkitkan oleh radiasi matahari. Selain itu, transfer bahang terasa juga berkorelasi tinggi dengan bilangan Richardson (π
π), baik di lokasi perkebunan umur 2 tahun maupun 8-10 tahun. Semakin tidak stabil kondisi atmosfer (π
π negatif), maka akan semakin besar intensitas turbulensi yang terjadi sehingga menyebabkan proses percampuran yang sangat efektif parsel udara dimana tersimpan panas/bahang di dalamnya. Dengan demikian laju aliran bahang terasa dari permukaan ke atas akan semakin besar. Begitu pula sebaliknya, saat atmosfer stabil lapisan udara cenderung lebih mampat sehingga menenkan
19 pembentukan turbulensi. Dengan demikian proses perpindahan bahang terasa oleh gerakan acak aliran masaa udara menjadi sangat kecil. Saat malam hari (inversi), gradien vertikal suhu udara di atas pertanaman sawit 8-10 tahun lebih besar dibandingkan di umur 2 tahun. Kondisi ini yang menyebabkan transfer bahang terasa dari atmosfer ke permukaan pertanaman sawit 8-10 tahun jauh lebih besar dibandingkan dengan umur 2 tahun. Sehingga, di malam hari dengan kondisi angin yang cenderung tenang, gradien suhu udara antara permukaan dengan atmosfer di atasnya merupakan faktor pendorong utama terjadinya transfer bahang terasa di malam hari. Namun, di siang hari dengan kondisi atmosfer yang lebih kompleks, variasi ππ» sangat berbeda dengan malam hari. Dari Gambar 11 dan 12 menunjukkan bahwa perbedaan suhu udara antar ketinggian bukan merupakan satu-satunya faktor utama yang menentukan besar kecilnya transfer bahang terasa saat atmosfer tidak stabil, tetapi juga disebabkan oleh keberadaan turbulensi yang mempercepat proses percampuran massa udara sehingga proses transfer dari permukaan ke atmosfer menjadi lebih cepat.
Transfer Uap Air (Latent Heat Flux) Transfer uap air secara umum ditentukan oleh karakteristik tutupan lahan dan kondisi cuacanya. Gambar 13 menunjukkan variasi transfer uap air di atas pertanaman sawit 2 tahun dengan jarak tanaman yang masih renggang dan di atas pertanaman sawit 8-10 tahun dimana kondisi tutupan tajuk sudah mendekati sempurna. Profil transfer uap air (bahang latent) pada kedua lokasi kajian menunjukkan pola yang mirip, yaitu mencapai puncaknya pada saat suhu udara mencapai maksimum dan kelembahan minimum (Gambar 4). Selain itu, diketahui bahwa ππΈ di atas pertanaman umur 8-10 tahun lebih besar daripada umur 2 tahun. Salah satu penyebab hal ini adalah curah hujan yang lebih besar di wilayah Bogor
250
QE (W/m2)
200 150
5.02 mm/hari 4.12 mm/hari
100 50
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
9:00
8:00
7:00
0
Waktu 2.4-5.8 m (Pompa Air, Jambi)
9-13 m (Cimulang)
Q QH E harian (Pompa Air, Jambi)
QQH harian (Cimulang) E
Gambar 13 Variasi diurnal transfer uap air di atas pertanaman kelapa sawit umur 2 tahun (Pompa Air, Jambi) dan 8-10 tahun (Cimulang)
20 Tabel 5 Korelasi fluks panas laten (ππΈ ) dengan Richardson Number (π
π), kelembaban relatif (RH), gradien vertikal suhu udara (ππ), kecepatan angin rata-rata (Ε«), radiasi global, TKE, dan fluks bahang terasa (ππ» ) QE
π
π RH
ππ Ε« Radiasi global
ππ» TKE
Umur 2 tahun, Pompa Air Jambi -0.87 -0.61 0.99 0.88 0.98 0.98 0.98
Umur 8-10 tahun, Cimulang -0.72 -0.95 0.92 0.38 0.85 0.92 0.96
pada waktu pengambilan data penelitian ini berlangsung. Jika dilihat dari karakteristik turbulensinya, intensitas turbulensi yang lebih besar di atas pertanaman umur 8-10 tahun menyebabkan transfer uap air yang lebih besar. Hubungan ini ditunjukkan oleh nilai korelasi yang tinggi antara ππΈ dengan TKE yang mencapai 0.98 untuk Pompa Air, Jambi dan 0.96 untuk kebun Cimulang. Selain TKE, ππ» juga berkorelasi tinggi dengan ππ dan ππ» , yaitu 0.98 untuk Perkebunan Pompa Air, Jambi dan 0.92 untuk Perkebunan Cimulang. Perbedaan suhu antar ketinggian (ππ) dan transfer bahang terasa (ππ» ) saling terkait satu sama lain. Adanya gradien suhu mendorong perpindahan bahang. Akibat perpindahan bahang tersebut kemudian mengubah besar kecilnya gradien suhu. Adanya pertambahan bahang terasa yang tercampur secara efektif oleh turbulensi mengakibatkan peningkatan defisit tekanan uap air (vpd) di atmosfer yang meningkatkan proses evapotranspirasi.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Kekasapan permukaan menentukan dinamika lapisan perbatas, terutama pada lapisan perbatas permukaan (surface boundary layer), yang meliputi profil angin, intensitas turbulensi dan TKE, mekanisme transfer bahang serta momentum. Interaksi antara angin dan permukaan kasap dapat di jelaskan dari nilai koefisien drag-nya ( πΆπ· ). Semakin kasap permukaan menyebabkan πΆπ· semakin tinggi, sehingga shear stress yang terjadi semakin besar. Kondisi ini yang menyebabkan profil angin menurun secara logaritmik dengan menurunnya ketinggian dan mendekati nol di dekat permukaan kasap. Kondisi ini memicu peningkatan transfer momentum akibat gradien-vertikal kecepatan angin yang semakin besar. Karakteristik kekasapan yang meliputi π , π§0 , dan π’β akan semakin tinggi dengan bertambahnya umur pertanaman sawit. Tingginya kekasapan permukaan
21 akan mendorong terbentuknya turbulensi yang semakin besar, terutama turbulensi mekanik akibat gesekan dengan permukaan. Oleh karena itu, intensitas turbulensi dan TKE di atas perkebunan kelapa sawit umur 8-10 tahun relatif lebih besar dibandingkan di atas perkebunan kelapa sawit umur 2 tahun. Adanya turbulensi ini menyebabkan proses pertukaran dan percampuran massa udara menjadi lebih efektif, sehingga sangat berperan dalam transfer bahang terasa dan uap air yang terjadi di atas permukaan kasap tersebut.
Saran Hasil analisis karakteristik kekasapan sangat bermanfaat dalam membangun suatu model sirkulasi atmosfer. Dalam skala mikro, parameter kekasapan ini digunakan untuk perhitungan berbagai proses transport yang terjadi antara permukaan dengan atmosfer pada ketinggian tertentu. Pada skala yang lebih besar, parameter ini dapat digunakan dalam menganalisis dinamika angin dalam lapisan perbatas atmosfer, dispersi cemaran udara, dan berbagai proses fisika atmosfer lainnya. Untuk memperoleh hasil simulasi model/prediksi yang akurat diperlukan data pembangun yang mendukung. Selain frekuensi pengamatan yang lebih tinggi, sensitivitas sensor dan detail pemasangan alat juga harus diperhitungkan.
DAFTAR PUSTAKA Arya SP. 2001. Introduction to Micrometeorology. Ed ke-2. San Diego: Academic Pr. Chang J. 1986. Climate and Agriculture. Chicago, USA (US): University of Wisconsin. Deacon EL. 1953. Vertical Profiles of Mean Wind in the Surface Layers of The Atmosphere. Geophysics Mem., No. 91. London: Air Ministry, Meteorolol. Office. Direktorat Jenderal Perkebunan. 2014. Buku Statistik Perkebunan Tahun 2008 β 2012. [Terhubung Berkala] http://www.pertanian.go.id/infoeksekutif/bun/isi_dt5thn_bun.php. (2014 Maret 24). Fitzherbert EB, Struebig MJ, Morel Alexandra, Danielsen F, BrΓΌhl CA, Donald PF, dan Phalan Ben. 2008. How will oil palm expansion affect biodiversity?. Trends in Ecology and Evolution. 23(10): 538-545. June T. 1987. Medan Angin pada Pertanaman Kacang Kedelai (Glycine max (L.) Merr) dengan Arah Baris Berbeda. [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. June T. 2001. Metode mikrometeorologi untuk penentuan fluks uap air, bahang, dan CO2 dari permukaan kanopi. Kumpulan Makalah Penelitian DosenDosen Perguruan Tinggi Indonesia Bagian Timur dalam Bidang Agroklimatologi; 2001 Juli 2-14; Bogor, Indonesia. Bogor (ID).
22 Kimura R, Otsuki K, Kamichika M. 1999. Relationship between the zero-plane displacement and the roughness length over sorghum and alfalfa canopies. J Agric Meteorol 55 (1) : 15-24. Koh LP, Wilcove DS. 2007. Cashing in palm oil for conservation. Nature. 448: 993β 994.s Martano P. 2000. Estimation of surface roughness length and displacement height from single-level sonic anemometer data. J Appl Meteorol. 39: 708-715. McInnes KJ, Heilman JL, Gesch RW. 1991. Momentum roughness and zero-plane displacement of ridge furrow tilled soil. J Agric Forest Meteorol. 55: 167179. Oke TR. 1978. Boundary Layer Climates. London: Methuen & Co Ltd. Paulson CA. The mathematical representation of wind speed and temperature profiles in the unstable atmospheric surface layer. J Appl Meteorol. 9: 857861. Priestley CHB. 1959. Turbulent Transfer in The Lower Atmosphere. United States of America: The University of Chicago Press. Retnowati E. 1984. Medan Angin dalam Suatu Pertanaman Padi Sawah (Oryza sativa Linn) Varietas Cisadane. [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Riou Ch. 1984. Simplified calculation of the zero-plane displacement from wind speed profiles. J Hydrol 69: 351-357. Sethurahman S, Raynor GS. 1975. Surface drag coefficient dependence on aerodynamic roughness of the sea. Journal of Geophysics Research. 80 (36): 4983-4988. Stull R. 2000. Meteorology for Scientist and Engineers Second Edition. United States of America: Brooks/Cole Thomson Learning. Tennekes H, Lumley JL. 1972. A First Course in Turbulence. Cambridge, MA: MIT Press. Tsai JL, Tsuang BJ. 2005. Aerodynamic roughness over an urban area and over two farmland in a populated are as determined by wind profiles and surface energy flux measurements. J Agric Forest Meteorol 132: 154-170.
23 Lampiran 1 Rata-rata (per jam) kecepatan angin, suhu udara, kelembaban relatif, dan radiasi global Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi
5.8 m
3.15 m
2.4 m
5.8 m
3.15 m
2.4 m
5.8 m
3.15 m
2.4 m
Rad. Global (W/mΒ²)
0:00
1.40
1.23
1.05
21.9
21.9
21.9
96
97
99
0.5
1:00
1.27
1.16
1.03
22.8
22.8
22.8
98
98
99
0.3
2:00
0.76
0.67
0.57
23.7
23.7
23.7
97
97
99
0.5
3:00
0.53
0.48
0.40
22.8
22.8
22.7
98
98
100
0.5
4:00
0.49
0.41
0.37
22.5
22.4
22.4
98
99
100
0.5
5:00
0.46
0.41
0.31
22.9
22.9
22.9
98
98
100
0.5
6:00
0.91
0.87
0.81
22.9
22.9
22.9
98
99
100
0.5
7:00
0.81
0.76
0.69
22.7
22.7
22.8
99
99
100
26.9
8:00
0.97
0.90
0.81
24.0
24.0
24.2
95
96
97
214.2
9:00
1.37
1.26
1.15
25.8
25.9
26.1
89
89
90
246.3
10:00
1.77
1.61
1.47
26.0
26.1
26.4
86
86
87
371.8
11:00
1.39
1.30
1.18
27.9
28.1
28.4
77
78
78
454.4
12:00
1.64
1.52
1.38
28.9
29.1
29.5
73
73
73
521.8
13:00
2.01
1.85
1.71
29.7
30.1
30.5
68
68
68
665.8
14:00
1.75
1.61
1.49
29.9
30.2
30.6
66
66
66
637.7
15:00
1.73
1.59
1.44
32.1
32.3
32.5
58
59
59
589.4
16:00
1.42
1.31
1.20
29.8
29.9
30.1
66
67
68
247.7
17:00
1.36
1.24
1.12
28.5
28.5
28.6
73
74
75
139.0
18:00
0.52
0.49
0.41
27.8
27.7
27.8
78
79
81
8.6
19:00
0.85
0.77
0.69
25.3
25.1
25.1
88
89
90
0.5
20:00
0.82
0.71
0.59
25.2
25.2
25.2
88
89
90
0.5
21:00
0.43
0.38
0.29
24.1
24.0
24.0
95
95
97
0.5
22:00
0.76
0.67
0.59
24.6
24.5
24.5
93
94
96
0.5
23:00
1.87
1.63
1.42
23.0
23.0
22.9
95
96
97
0.5
u (m/s)
Waktu
T (C)
RH (%)
24 Lampiran 2 Rata-rata (per jam) kecepatan angin, suhu udara, kelembaban relatif, dan radiasi global Perkebunan Cimulang, Bogor
9m
13 m
9m
13 m
9m
13 m
Radiasi Global (W/mΒ²)
0:00
0.17
0.56
22.3
22.8
95
89
0.5
1:00
0.18
0.58
22.1
22.6
96
90
0.5
2:00
0.15
0.56
22.1
22.5
95
88
0.5
3:00
0.17
0.57
21.7
22.1
97
90
0.5
4:00
0.17
0.53
21.5
21.9
97
92
0.5
5:00
0.16
0.52
21.5
21.9
97
90
0.5
6:00
0.21
0.58
23.5
23.9
95
84
0.5
7:00
0.22
0.52
26.2
26.4
86
77
59.5
8:00
0.22
0.56
28.8
28.6
69
67
198.9
9:00
0.25
0.63
30.0
29.7
65
62
325.0
10:00
0.39
0.89
30.2
29.9
61
60
429.9
11:00
0.33
0.85
31.3
30.9
58
56
506.9
12:00
0.40
1.16
32.2
31.7
52
51
551.3
13:00
0.48
1.19
32.2
31.7
54
53
560.2
14:00
0.44
1.19
30.4
30.0
66
64
533.1
15:00
0.45
1.33
26.7
26.5
74
73
471.7
16:00
0.35
1.04
24.9
24.8
82
80
379.8
17:00
0.35
1.02
23.5
23.4
90
88
263.2
18:00
0.26
0.73
24.2
24.3
86
85
129.2
19:00
0.22
0.61
23.7
23.9
88
84
0.5
20:00
0.19
0.53
23.5
23.8
91
87
0.5
21:00
0.19
0.57
23.0
23.3
94
88
0.5
22:00
0.21
0.63
22.7
23.0
95
88
0.5
23:00
0.19
0.57
22.4
22.9
95
90
0.5
u (m/s)
Waktu
T (C)
RH (%)
25 Lampiran 3 Contoh perhitungan u (m/s)
Waktu
T (C)
2.4 m
Rad. Global (W/mΒ²)
74.3
74
470
94.2
96.0
0.5
RH (%)
5.8 m
3.15 m
2.4 m
5.8 m
3.15 m
2.4 m
5.8 m
3.15 m
13:10
2.06
1.81
1.64
28.3
28.5
29.0
74.1
18:40
1.18
0.92
0.66
23.9
23.9
23.9
93.5
1. Stabilitas Atmosfer Klasifikasi kestabilan atmosfer ditentukan berdasarkan bilangan Richardson (Ri) seperti pada persamaan (1). 1. Perhitungan suhu potensial (ΞΈ) 1. Waktu : 13:10 π (π§ = 5.8 π) = (28.3 + 273) β (β0.00976 Γ 5.8) = 301.3 πΎ π (π§ = 3.15 π) = (28.5 + 273) β (β0.00976 Γ 3.15) = 301.5 πΎ π (π§ = 2.4 π) = (29.0 + 273) β (β0.00976 Γ 2.4) = 302 πΎ 301.94+302.17+302.56 ππ = = 302.22 πΎ 3 2. Waktu : 18:40 π (π§ = 5.8 π) = (23.9 + 273) β (β0.00976 Γ 5.8) = 296.96 πΎ π (π§ = 3.15 π) = (23.9 + 273) β (β0.00976 Γ 3.15) = 296.93 πΎ π (π§ = 2.4 π) = (23.9 + 273) β (β0.00976 Γ 2.4) = 296.92 πΎ 296.96+296.93+296.92 ππ = = 296.94 πΎ 3 2. Perhitungan Ri 3. Waktu : 12:00 π
π =
301.3β302 ) 5.8β2.4 2.06β1.64 2 302.22( ) 5.8β2.4
9.8(
4. Waktu π
π =
= β0.42
(Ri < -0.01, Tidak Stabil)
= 0.01
(-0.01 < Ri < 0.01, Netral)
: 18:40
301.3β302 ) 5.8β2.4 1.18β0.66 2 302.22( ) 5.8β2.4
9.8(
2. Parameter Kekasapan Permukaan Perhitungan parameter kekasapanyang meliputi π, π§0 , dan π’β hanya dilakukan pada saat kondisi netral, sehingga dalam contoh ini digunakan data jam 18:40. 1. Perhitungan nilai perpindahan bidang nol (π) π inisial (π0 ) = 0.67β = 0.67 Γ 2.5 = 1.675 π (h = 2.5 m) π= π=
ππ(5.8β1.675)βππ(3.15β1.675) [(5.8β1.675)(3.15β1.675)]β0.5
= 3.4538
ππ(3.15β1.675)βππ(2.4β1.675) [(3.15β1.675)(2.4β1.675)]β0.5 0.92β0.66 2 [3.45382 ( ) 2.4]β5.8 1.18β0.92 2 0.92β0.66 3.45382 ( ) β1 1.18β0.92
= 2.1 π
2. Perhitungan panjang kekasapan (π§0 ) dan kecepatan kasap (π’β ) Hubungan linier antara ln(π§ β π) pada sumbu-y dan π’ pada sumbu-x, sehingga diperoleh persamaan regresi π¦ = π + ππ₯ yang setara dengan π persamaan ln(π§ β π) = π’β π’(π§) + ln(π§0 ), sehingga parameter π§0 , dan π’β ditentukan dari hubungan berikut:
26 π
0.4
π’ β= π = 4.75 = 0.11 π/π π§0 = exp(π) = exp(β4.18) = 0.05 π 3. Koefisien Pertukaran Turbulensi untuk Momentum Setelah parameter kekasapan diketahui, nilai πΎπ dapat langsung dihitung dengan persamaan (24). πΎπ (π§ = 5.8 π) = 0.4 Γ 5.8 Γ 0.11 = 0.2479 π2 /π πΎπ (π§ = 3.15 π) = 0.4 Γ 3.15 Γ 0.11 = 0.1346 π2 /π πΎπ (π§ = 2.4 π) = 0.4 Γ 2.4 Γ 0.11 = 0.1026 π2 /π 4. Transfer Momentum Besar transfer momentum merupakan fungsi dari Km, sehingga dengan persamaan (25) π dapat dihitung. (1.18β0.66) π(π§ = 5.8 π) = 1.2 Γ 0.2479 Γ (5.8β2.4) = 0.0449 π/π2 (1.18β0.66)
π(π§ = 3.15 π) = 1.2 Γ 0.1346 Γ π(π§ = 2.4 π) = 1.2 Γ 0.1026 Γ
(5.8β2.4) (1.18β0.66) (5.8β2.4)
= 0.0244 π/π2
= 0.0186 π/π2
5. Koefisien Drag Nilai πΆπ· idealnya dihitung pada ketinggian referensi (π§π ), yaitu 10 meter untuk lokasi perkebunan umur 2 tahun Pompa Air, Jambi karena tingkat kekasapan tergolong sedang. 1. Estimasi kecepatan angin pada ketinggian referensi (π’π ) Parameter kekasapan yang diperoleh dapat digunakan untuk mengestimasi kecepatan angin pada ketinggian tertentu dengan persamaan (2). π ππ(π§ β π) = β π’(π§) + πππ§0 π’(π§) =
π’β π
π’ π§βπ
ln (
)
π§0 0.11
10β2.1
π’(π§ = 10 π) = 0.4 ln ( 0.05 ) = 1.36 π/π 2. Perhitungan πΆπ· πΆπ· = (0.11/1.36)2 = 0.0062 6. Transfer Bahang Terasa Untuk contoh mengitung transfer bahang terasa digunakam data jam 13.10. 1. Faktor koreksi stabilitas atmosfer Karena π
π < 0, maka ΞΆ = π
π = -0.42 Sehingga, ππ = (1 β (15 Γ (β0.42))β0.5 = 0.3710 ππ = (0.3710)0.5 = 0.6091 2. Perhitungan transfer bahang terasa (π rata-rata = 1.9 m) Berdasarkan persamaan (32), maka diperoleh (2.06β1.64)(301.3β302) ππ» = 1.2 Γ 1004.2 Γ 0.42 2 5.8β1.9 [ππ(
ππ» = β55.26 π/π
2
π§1 βπ2.4β1.9
)] 0.3710Γ0.6091
27
7. Transfer Uap Air Untuk contoh mengitung transfer bahang terasa digunakam data jam 13.10. 1. Latent heat vaporization πΏ = 2.50 Γ 106 β 2400(28.6) = 2431240 π½ππ’ππ 2. Kelembaban relatif spesifik 17.2694Γ28.3 ππ (π§ = 5.8 π) = 6.1078ππ₯π ( 28.3+237.3 ) = 38.46 βππ 17.2694Γ9
ππ (π§ = 2.4 π) = 6.1078ππ₯π ( ππ (π§ = 5.8 π) = ππ (π§ = 2.4 π) =
38.46Γ74.1 100 40.05Γ74
9+237.3
) = 40.05 βππ
= 28.50 βππ
= 29.64 βππ
100 0.622Γ28.50
π(π§ = 5.8 π) = 1000.4β(0.378Γ28.50) = 0.0179 βππ 0.622Γ29.64
π(π§ = 2.4 π) = 1000.4β(0.378Γ29.64) = 0.0186 βππ 3. Perhitungan transfer uap air (π rata-rata = 1.9 m) (2.06β1.64)(0.0179β0.0186) ππΈ = 2431240 Γ 1.2 Γ 0.42 5.8β1.9 2 [ππ(
π
2.4β1.9
)] 0.3710Γ0.6091
ππΈ = β145.33 π2 = β4.90 ππ/βπππ 8. Intensitas Turbulensi Misalnya dari hasil perhitungan data kecepatan angin per 10 menit dalam satu hari diperoleh standar deviasi (ππ’ ) sebesar 0.48 dari rata-rata (π’Μ
) sebesar 1.18, sehingga intensitas turbulensi dapat dihitung seperti berikut: 0.48 πΌ = 1.18 = 0.40 9. Turbulence Kinetic Energy (TKE) 1. Pemanasan komulatif Misalnya dari hasil perhitungan diperoleh: ππ» maksimum = 78.97 W/m2, sehingga dalam satuan kinematik menjadi: πβ πππ₯ 78.97 πΉβ πππ₯ = πΆ π = 1004.2Γ1.2 = 0.0675 πΎ π/π π
π· = π‘ = 10 jam = 36000 s πΉβ πππ₯Γπ· ππ‘ Pemansan komulatif ππ΄πΎ = [1 β πππ ( π· )] π 0.0675Γ36000
3.14Γ36000
ππ΄πΎ = [1 β πππ ( 36000 )] 3.14 ππ΄πΎ = 1547.75 πΎ. π 2. Perhitungan ketebalan lapisan pencampur (mixing layer) π§π = (
2ππ΄πΎ Ξπ Ξπ§
0.5
)
2Γ1547.75 0.5
π§π = (
0.00976
)
= 562 π
3. Perhitungan TKE Misalnya dari perhitungan menggunakan persamaan (20) dan (21) diperoleh nilai π€π΅ sebesar 12.26 m/s pada ketinggian 5.8 m di tengah hari, sehingga
28 ππ’ = 0.11 Γ 12.26(5.8/562)1/3 [1 β 0.7(5.8/562)] = 0.2914 ππ£ = 0.08 Γ 12.26[0.5 + 0.4(1 β 5.8/562)2 ] = 0.8745 ππ€ = 0.11 Γ 12.26(5.8/562)1/3 [1 β 0.8(5.8/562)] = 0.2911 ππΎπΈ = 0.5[0.29142 + 0.87452 + 0.29112 ] = 0.4672 π2 /π 2
Lampiran 4 Rata-rata (per jam) transfer bahang terasa dan TKE pada Perkebunan Desa Pompa Air, Jambi dan Perkebunan Cimulang, Bogor QH (W/m2) Waktu
TKE Pompa Air, Jambi
Cimulang, Bogor
Pompa Air, Jambi
Cimulang, Bogor
5.8 m
3.15 m
2.4 m
13 m
9m
7:00
3.08
0.49
0.06
0.06
0.06
0.02
0.02
8:00
9.29
15.44
0.13
0.13
0.12
0.24
0.23
9:00
19.84
24.89
0.22
0.21
0.21
0.33
0.32
10:00
29.68
38.57
0.29
0.27
0.27
0.45
0.43
11:00
41.95
40.64
0.36
0.34
0.34
0.46
0.44
12:00
61.15
76.16
0.47
0.44
0.43
0.70
0.67
13:00
78.97
65.30
0.55
0.52
0.51
0.63
0.61
14:00
61.30
35.48
0.47
0.44
0.43
0.42
0.40
15:00
33.32
18.27
0.31
0.29
0.29
0.27
0.26
16:00
17.53
6.45
0.20
0.19
0.19
0.14
0.13
17:00
6.04
5.24
0.10
0.09
0.09
0.12
0.11
Lampiran 5 Daftar konstanta Konstanta Tekanan atmosfer
Simbol P
Besar dan Satuan 1013 hPa
Kerapatan udara
ο²
1.2 kg m-3
Panas spesifik pada tekanan konstan
c
10004.2 J kg-1 K-1
Latent heat vaporization
L
2450000 Joule
Tekanan uap jenuh pada 0oC
eo
6.1078 hPa
Molar mass ratio
ο₯
0.622
Konstanta Von Karman
k
0.4
Dry adiabatic lapse rate
Ξd
-0.00976 K m-1
a
p
29 Lampiran 6 Daftar simbol Simbol πΆπ· π ππ ππ π πΌ πΎπΈ πΎπ» πΎπ π ππ΄πΎ ππΈ ππ» π
π π TKE ππ£ π’ π’β π’π π€β π€π΅ π§ π§0 π§π ΞΆ π ππ£ ππ’ ππ£ ππ€ π ππ ππ
Keterangan Koefisien Drag Perpindahan bidang nol Tekanan uap aktual Tekanan uap jenuh Percepatan gravitasi Intensitas turbulensi Koefisien pertukaran turbulensi untuk uap air Koefisien pertukaran turbulensi untuk bahang Koefisien pertukaran turbulensi untuk mometum Kelembaban spesifik Pemanasan komulatif Transfer uap air Transfer bahang terasa Richardson Number Suhu udara absolut Turbulence kinetic energy Suhu udara virtual Kecepatan angin Kecepatan kasap Kecepatan angin pada ketinggian referensi The Deardorff velocity Buoyancy velocity scale Ketinggian pengukuran Panjang kekasapan Ketebalan mixing layer Parameter stabilitas Monin-Obukhov Suhu udara potensial Suhu udara potensial virtual Standar deviasi komponen kecepatan angin zonal Standar deviasi komponen kecepatan angin meridional Standar deviasi komponen kecepatan angin vertikal Shear stress, transfer momentum Dimensionless wind shear factor Dimensionless scalar gradient factor
30 Lampiran 7 Dokumentasi penelitian di PTPN VIII, Cimulang, Jawa Barat (a-d) dan Desa Pompa Air, Jambi (e-h)
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
31
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Pekalongan pada 30 Maret 1992 dari pasangan Bapak Riswandi dan Ibu Kanti Budi Agustiyanti. Penulis adalah anak kedua dari dua bersaudara, Riska Ayu Antika. Pada tahun 2010, penulis berhasil lulus dari SMA 1 Kajen dan diterima di Departemen Geofisika dan Meteorologi, FMIPA, IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Berkah dari Allah SWT, penulis bisa memperoleh dan mempertahankan Beasiswa Bidik Misi dari tahun pertama hingga lulus kuliah (2010-2014). Selama empat tahun di IPB, penulis tidak hanya fokus pada kegiatan perkuliahan saja, tetapi juga aktif dalam organisasi dan kegiatan sosial. Selama 4 tahun di IPB, penulis pernah menjabat sebagai sekretaris Departemen Sains dan Aplikasi, Himpunan Mahasiswa Agrometeorologi (HIMAGRETO); Kepala Departemen Research and Development, AGREEMOVE, IPB. Selain itu, penulis juga mengemban tugas sebagai asisten praktikum mata kuliah Fisika Dasar (20112013) dan mata kuliah Mikro Meteorologi (2014). Puji dan syukur penulis panjatkan atas berbagai prestasi yang pernah diraih, di antaranya: Juara I Mahasiswa Berprestasi Departemen Geofisika dan Meteorologi, FMIPA, IPB; Juara II Mahasiswa Berprestasi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB; Juara II Kompetisi Karya Tulis Ilmiah pada MIPA Youth Scientist Conference, Explo-Science, IPB. Selain itu penulis juga berhasil mendapat dana dari DIKTI untuk program PKM Karsa Cipta tahun 2013, 2 judul untuk program PKM Artikel Ilmiah tahun 2014, dan dana hibah dari Tanoto Foundation (Tanoto Student Research Award) atas inovasi yang penulis hasilkan pada tahun 2013.
