Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian
Program Studi Meteorologi PENERBITAN ONLINE AWAL Paper ini adalah PDF yang diserahkan oleh penulis kepada Program Studi Meteologi sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana. Karena paper ini langsung diunggah setelah diterima, paper ini belum melalui proses peninjauan, penyalinan penyuntingan, penyusunan, atau pengolahan oleh Tim Publikasi Program Studi Meteorologi. Paper versi pendahuluan ini dapat diunduh, didistribusikan, dan dikutip setelah mendapatkan izin dari Tim Publikasi Program Studi Meteorologi, tetapi mohon diperhatikan bahwa akan ada tampilan yang berbeda dan kemungkinan beberapa isi yang berbeda antara versi ini dan versi publikasi akhir.
© 2012 Program Studi Meteorologi Institut Teknologi Bandung
Distribusi Tipe Aerosol Di Indonesia Bagian Barat Menggunakan Data Modis-Aqua Dan Omi-Aura Noviana Dewani Program Studi Meteorologi, Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian, Institut Teknologi Bandung
ABSTRAK Keberadaan aerosol dapat mempengaruhi kesehatan manusia, kualitas udara, dan iklim. Sumber aerosol dapat berasal dari alam seperti kebakaran hutan, letusan gunung api, garam laut ataupun hasil kegiatan manusia seperti industri, pembakaran bahan bakar fosil. Setiap tahunnya, di Indonesia masih terjadi kebakaran hutan yang merupakan salah satu sumber aerosol. Secara umum aerosol dapat diklasifikasikan menjadi 4 tipe yakni, Sea Salt, Sulfat, Dust, Carbonaceous. Salah satu cara untuk mengetahui dan mengklasifikasi keberadaan aerosol yakni menggunakan satelit. Pengklasifikasian tipe aerosol ini dilakukan menggunakan data Aerosol Optical Depth (AOD) dan Fine Mode Fraction (FMF) dari data ModisAqua dan data indeks aerosol dari data OMI-Aura dengan menggunakan algoritma MODIS-OMI. Metode ini mengklasifikasikan aerosol berdasarkan daya serap radiasi matahari dan ukuran aerosol. Pada tahun 2011 di wilayah Indonesia bagian barat diketahui terdapat 2 jenis tipe aerosol utama dan 1 jenis tipe aerosol campuran, yakni tipe sea salt, sulfat, dan campuran antara sea salt dan sulfat. Aerosol sea salt pada umumnya terdapat di wilayah lautan dan persebarannya dipengaruhi oleh angin. Aerosol sulfat lebih dominan berada di wilayah Pulau Sumatera dan Pulau Kalimantan. Pada bulanbulan basah, tipe sulfat ini lebih menyebar dan lebih sedikit dibanding pada bulan kering. Pada bulan kering, tipe sulfat ini terkonsentrasi pada wilayah Sumatera dan Kalimantan. Untuk tipe campuran sea salt dan sulfat terdapat di wilayah antara tipe sea salt dan tipe sulfat. Tipe ini merupakan tipe untuk meminimalisasi eror dari pengklasifikasian. Kata kunci : tipe aerosol, Indonesia, Modis, OMI, AOD, FMF, Indeks Aerosol
pada wilayah kajian (Gambar 1) selama tahun 2011 dengan memanfaatkan data Modis satelit Aqua dan data OMI satelit Aura.
1.
Pendahuluan Aerosol secara umum dapat didefinisikan sebagai suspensi dari larutan atau partikel padat di udara dengan ukuran partikel antara 10 9 – 10 -4 m (Poschl, 2005). Aerosol dapat berpengaruh terhadap kesehatan manusia, kualitas udara dan juga iklim. Setiap tipe aerosol memiliki efek yang berbeda terhadap iklim. Ada tipe aerosol yang dapat menyerap radiasi matahari dan ada pula yang dapat menghamburkan radiasi matahari. Secara umum, aerosol dapat dikategorikan kedalam beberapa tipe berdasarkan ukuran dan daya serap terhadap radiasi matahari. Tipe tersebut antara lain carbonaceous (absorbing fine-mode), soil dust (absorbing coarsemode), sulfat (non-absorbing fine-mode) dan sea salt (non absorbing coarse mode) (Hirugashi dan Nakajima, 2002). Aerosol dapat bersumber dari alam ataupun dari kegiatan manusia. Sumber-sumber aerosol yang berasal dari alam antara lain letusan gunung api, garam laut, ataupun debu. Sumber aerosol dari kegiatan manusia berasal dari industri, transportasi, pembakaran bahan bakar fosil dan kebakaran hutan. Masih dominannya kejadian kebakaran hutan di Kalimantan dan Sumatera yang merupakan area lahan gambut terluas di dunia (Hasisson et al.,2009), menjadi salah satu sumber aerosol di Indonesia. Pengukuran aerosol ini dapat dilakukan dengan menggunakan pengukuran insitu ataupun menggunakan satelit. Akan tetapi, pengukuran insitu ini tidaklah banyak. Penelitian ini akan membahas mengenai tipe aerosol dan distribusi setiap tipenya
Gambar 1. Wilayah kajian
2.
Data dan Metodologi Dalam penelitian ini digunakan 3 buah data utama yakni data UV indeks aerosol yang didapatkan dari Ozone Measurement Instrument (OMI), data aerosol optical depth (AOD) dan data fine mode fraction (FMF) yang didapatkan dari MODIS-Aqua. Selain data tersebut, digunakan pula data reanalysis angin pada Ketinggian 850mb dan data curah hujan rata-rata bulanan dari GPCP (Global Precipitation Climatology Project). Data aerosol optical depth (AOD) merupakan pengukuran jumlah sinar yang 1
MODIS FMF OMI AI
AI <= 0.7
FMF < 0.5
Sea Salt
0.5 < FMF < 0.7
Sea salt + Sulfate
AI > 0.7
FMF > 0.7
FMF < 0.6
Sulfate
Sea salt + sulfate (jika AOD > 0.2)
0.6< FMF < 0.8
FMF > 0.8
Dust
Dust + Carbonaceous
Sea salt + dust (jika AOD <= 0.2)
Sea salt + Carbonaceous ( Jika AOD <= 0.2)
Carbonaceous
Gambar 2. Algoritma pengklasifikasian aerosol MOA (Kim dkk, 2007)
aerosol yang berada pada wilayah kajian memiliki
terhamburkan atau terserap oleh partikel di udara. Selain itu pula, AOD menunjukkan banyaknya aerosol dalam satu kolom atmosfer. Data indeks aerosol Ozone Measurement Instrument (OMI) dapat membedakan dengan baik antara aerosol yang menyerap radiasi dan tidak menyerap radiasi. Menurut Torres et al (1998), indeks aerosol bernilai positif, maka terdapat aerosol yang dapat menyerap panas, seperti mineral dust, smoke dan aerosol volcanic. Jika indeks aerosol bernilai negatif menunjukkan adanya aerosol yang tidak menyerap panas seperti sulfat dan sea salt. Data fine mode fraction (FMF) memberikan informasi tentang representasi ukuran aerosol. Menurut Kim et al (2007) jika FMF bernilai mendekati 1, menunjukkan ukuran aerosol kasar. Selain itu pula menunjukkan adanya sumber antropogenik. Jika nilai FMF bernilai kecil, maka diindikasikan aerosol jenis nonantrophongenic (natural). Algoritma yang dipakai untuk mengetahui jenis tipe ini menggunakan algoritma dari penelitian Kim dkk pada tahun 2007 seperti pada Gambar 2. Sebelumnya akan dianalisis mengenai karakteristik aerosol yang berada di wilayah kajian dari parameterparameter aerosol yang digunakan sebagai input data untuk mengklasifikasi tipe aerosol. Setelah didapatkan tipe aerosol yang berada pada wilayah kajian, akan dibahas mengenai distribusi tiap tipe aerosol dengan melihat parameter meteorologi seperti angin dan hujan. Sebagai analisis tambahan, digunakan data AERONET di wilayah Bandung.
Gambar 3. Rata-rata wilayah tahun 2011
indeks aerosol bulanan
sifat dapat menyerap radiasi matahari. Dari nilai fine mode fraction, di wilayah Indonesia rata-rata memiliki ukuran aerosol yang tidak terlalu kasar namun juga tidak terlalu halus dengan nilai rata-rata FMF sebesar 0.532. Jika dilihat pada Gambar 4 terlihat pada bulan Januari nilai FMF lebih bervariasi dibanding pada bulan Juli. Pada bulan Juli, terlihat pada wilayah Sumatera, nilai FMF mendekati 1. Hal ini menunjukkan bahwa pada wilayah Sumatera terdapat sumber aerosol antropogenik.
3. Hasil dan Pembahasan 3.1 Analisis Parameter Aerosol Dari hasil pengolahan data, di dapatkan bahwa nilai indeks aerosol rata-rata wilayah kajian berkisar sekitar 0.25 - 0.38 (Gambar 3). Nilai indeks aerosol yang bernilai positif menunjukkan bahwa
(a)
(b)
Gambar 4. Fine mode fraction (a) Bulan Januari (b) Bulan Juli
2
Keterangan:
Nilai AOD pada wilayah kajian memiliki nilai berkisar antara 0.14 – 0.25 (Gambar 5). AOD pada bulan Januari lebih rendah dibanding AOD pada bulan Juli. Menurut Carmichael dkk, 2009, nilai AOD <2 merepresentasikan jumlah aerosol yang rendah dalam kolom atmosfer sehingga tingkat visibilitas untuk wilayah kajian tinggi.
Gambar 6. Tipe Aerosol bulanan di wilayah kajian (a) Januari (b) Februari (c) Maret (d) April (e) Mei (f) Juni (g) Juli (h) Agustus (i) September (j) Oktober (k) November (l) Desember
Aerosol sea salt pada umumnya terdapat di wilayah laut. Untuk aerosol sulfat terdapat di wilayah Sumatera dan Kalimantan. Sedangkan untuk aerosol campuran sulfat dan sea salt pada umumnya terdapat di wilayah antara aerosol sulfat dan aerosol sea salt. Gambar 5. Nilai rata-rata wilayah AOD bulanan tahun 2011
3.3 Analisis Distribusi Aerosol Pada Gambar 7 terlihat bahwa tipe aerosol campuran antara sea salt dan sulfat merupakan tipe yang memiliki jumlah piksel terbanyak terutama pada bulan April, Mei, Juli, Agustus, September dan Oktober. Tipe aerosol sulfat merupakan tipe aerosol yang jumlah pikselnya sangat sedikit pada wilayah kajian.
3.2 Klasifikasi Tipe Aerosol Dari hasil pengklasifikasi menggunakan algoritma MOA, didapatkan bahwa terdapat 2 tipe aerosol utama dan 1 tipe aerosol campuran untuk wilayah kajian, yakni tipe aerosol sea salt, sulfate, dan campuran antara sea salt dan sulfat (Gambar 6).
Sea Salt
Sea Salt + Sulfate
Des
Okt
Nov
Agt
Sep
Jul
Jun
Mei
Apr
0 Feb
(c)
Mar
(b)
50
Jan
(a)
Jumlah Piksel (%)
Perbandingan Jumlah Piksel Per-Tipe Aerosol 100
Sulfate
Gambar 7. Jumlah piksel tipe aerosol di wilayah kajian
(d)
(e)
Akan tetapi apabila dilihat pada Gambar 8 yang merupakan perbandingan nilai AOD untuk setiap tipenya, tipe sulfat memiliki nilai AOD yang besar dibanding tipe aerosl lainnya. Hal ini berarti jumlah aerosol sulfat di atmosfer lebih banyak dibanding tipe aerosol lainnya walaupun luas wilayahnya paling sedikit.
(g)
Grafik AOD per Tipe Aerosol
(h)
(i)
AOD
0.4 (j)
0.2 0 Jan Feb Mar Apr Mei Jun Jul Ags Sep Okt Nov Des
Sea Salt
Sea Salt + Sulfate
Sulfate
Gambar 8. Rata-rata AOD per tipe aerosol di wilayah kajian
(k)
(l)
(m) 3
Curah hujan (mm)
Untuk tipe sea salt terdapat pada wilayah laut. Persebaran tipe sea salt dipengaruhi oleh angin. Untuk tipe sulfat pada umumnya terletak pada wilayah daratan, yakni Sumatera dan Kalimantan serta di Selat Karimata. Adanya pengaruh hujan terhadap persebaran tipe aerosol. . Curah hujan pada bulan JJA lebih rendah dibandingkan bulan DJF. Pada bulan DJF, tipe sulfat yang terdapat pada wilayah kajian berjumlah sedikit. Berbeda halnya pada bulan JJA, tipe sulfat berjumlah lebih banyak dan terkonsentrasi di wilayah Sumatera dan Kalimantan. Apabila ditinjau dari jumlah curah hujan pada wilayah kajian, persebaran dan jumlah aerosol memiliki pola yang berkebalikan Pada Gambar 9, grafik antara curah hujan dan nilai AOD, yang menunjukkan jumlah aerosol dalam kolom atmosfer, memiliki pola berkebalikan. Hal ini menunjukkan adanya proses washout yang menyebabkan adanya pembersihan aerosol dari atmosfer. 400
(a)
(c)
Pada kasus kebakaran hutan, jumlah SO2 yang dihasilkan akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan karbon. Namun, tipe aerosol karbon tidak terklasifikasi dalam wilayah kajian. Hal ini dapat disebabkan threshold yang dipakai oleh Kim dkk tidak tepat untuk dipakai di Indonesia.
200 0 2
3
4
5
6
7
Bulan
8
(d)
Gambar 10. Tipe Aerosol di wilayah kajian, (a) Bulan Januari 2011 (c) Bulan Juli 2011. Jumlah titik hotspot (b) Bulan Januari 2011 (d) Bulan Juli 2011
Curah Hujan Rata-Rata 2011
1
(b)
9 10 11 12
(a) a.
b. (b) Gambar 9. (a) Pola rata-rata curah hujan bulanan di wilayah kajian . (b) Rata-rata bulanan AOD di wilayah kajian
Akan tetapi, jika dilihat dari hubungan antara aerosol dan titik panas (hotspot), terlihat adanya hubungan yang sebanding diantara keduanya. Keberadaan aerosol pada wilayah kajian juga dipengaruhi oleh jumlah titik panas selain adanya efek washout. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 10, pada Bulan Januari, aerosol sulfat jumlahnya sedikit. Hal tersebut sebanding dengan jumlah titik panas yang juga sedikit jumlahnya. Begitu pula pada bulan Juli, banyaknya aerosol sulfat sebanding dengan banyaknya titik hotspot yang terdapat di wilayah kajian.
c.
d.
4
Gambar 11. Tipe aerosol, Pola angin rata-rata level 1000 mb - 700 mb, pola curah hujan wilayah kajian (a) DJF (b) JJA (c) MAM (d) SON
Tabel 1 Tipe aerosol berdasarkan data AERONET dan data satelit
Pada Gambar 11 terlihat perbedaan persebaran aerosol baik pada musim kemarau (JJA), musim hujan (DJF) ataupun musim peralihan (MAM dan SON). Pada bulan DJF, aerosol sulfat berjumlah lebih sedikit dan menyebar. Berbeda halnya pada bulan JJA, aerosol sulfat lebih terkonsentrasi di wilayah Sumatera dan Kalimantan. Pertemuan angin diwilayah Sumatera menyebabkan aerosol sulfat menyebar. Curah hujan yang tinggi pula menyebabkan aerosol sulfat lebih sedikit. Aeorosol sea salt, menyebar pada lautan hindia sampai pada lintang 3⁰ LS dan meluas hingga Lampung dan Jawa Barat. Hal tersebut dikarenakan adanya angin barat yang membawa aerosol sea salt di wilayah tersebut. Lain halnya pada bulan JJA, aerosol sulfat terkonsentrasi di wilayah Sumatera dan Kalimantan. Selain dikarenakan curah hujan yang rendah pada bulan JJA, angin pada wilayah sumatera dan Kalimantan memiliki kecepatan yang lebih rendah. Sebelumnya telah disebutkan bahwa pada wilayah Sumatera dan Kalimantan terdapat sumber aerosol antropogenik yang ditandai dengan nilai FMF mendekati 1 dan pada peta titik panas, di wilayah Sumatera dan Kalimantan terdapat banyak sekali hotspot pada bulan JJA ini. Persebaran aerosol sea salt dipengaruhi oleh angin. Angin dari arah tenggara melemah disekitar 6⁰ LS, sehingga dapat dilihat persebaran aerosol sea salt hanya berada di sekitar sebelum ekuator. Untuk MAM dan SON yang merupakan bulan-bulan peralihan, pola persebaran aerosol hampir mirip. Aerosol sea salt pada SON lebih luas wilayahnya dibanding pada bulan MAM. Hal ini dikarenakan pada bulan SON angin dari arah tenggara lebih kuat dibanding bulan MAM. Angin ini melemah disekitar 3⁰ LS. Berbeda halnya pada bulan MAM, angin dari arah tenggara melemah disekitar 9⁰ LS. Selain itu pula disekitar ekuator terdapat angin barat yang bergerak menuju timur. Sebagai analisis tambahan dilakukan pengolahan data AERONET untuk mendapatkan tipe aerosol di wilayah Bandung. Dari hasil pengolahan, maka didapat bahwa untuk wilayah Bandung memiliki tipe aerosol moderately aerosol, slightly aerosol dan mixture. Moderately aerosol dan slightly aerosol merupakan bagian dari black carbon yang memiliki sifat menyerap radiasi matahari dan berukuran halus. Slightly aerosol memiliki daya serap radiasi matahari yang sangat rendah sedangkan moderately aerosol memilki daya serap radiasi matahari yang sedang. Jika dibandingkan dengan pengklasifikasikan berdasarkan satelit, tidak ada kesesuaian antara klasifikasi aeronet dengan klasifikasi menggunakan data satelit. Hal ini karena perbedaan ukuran spasial. Data aeronet hanya mengukur pada satu titik sedangkan satelit sangat luas wilayah cakupannya. Selain itu pula perbedaan threshold yang dipakai dalam mengklasifikasikan aerosol.
Bulan Januari Februari Maret April Mei Juni Juli Agustus September Oktober
Tipe Aerosol berdasarkan AERONET Mixture Slighty Aerosol Moderately Aerosol Mixture Slighty Aerosol Moderately Aerosol Slighty Aerosol Slighty Aerosol Moderately Aerosol -
November Desember Keterangan : (-) tidak ada data
4
Tipe Aerosol berdasarkan MOA Sea salt Sea Salt Sea salt Campuran Sea Salt dan sulfat Campuran Sea salt dan sulfat Sea salt Campuran Sea salt dan sulfat Sea salt Campuran Sea salt dan sulfat Campuran Sea salt dan sulfat Sea salt Sea salt
Kesimpulan dan Saran Pada wilayah kajian tidak terdapat aerosol tipe Carbonaceous. Hal ini dikarenakan threshold yang dipakai tidak terlalu tepat untuk wilayah Indonesia. Pada wilayah di tahun 2011 kajian teradapat 2 tipe aerosol utama dan 1 aerosol campuran, yakni sea salt, sulfat, dan campuran dari sea salt dan sulfat. Tipe campuran ini dibuat untuk meminimalisasi eror dalam pengklasifikasian. Kajian ini merupakan kajian awal yang selanjutnya dapat digunakan untuk mengontrol dan memantau kualitas udara ataupun untuk mengkaji efek aerosol di wilayah Indonesia. Pengukuranpengukuran mengenai kualitas udara sangat sedikit dilakukan, sehingga pemanfaatan data satelit menjadi suatu alternatif untuk mengetahui, mengontrol ataupun memantau kualitas udara. Adapun saran dalam tugas akhir ini antara lain : a. Perlunya observasi insitu mengenai tipe aerosol di Indonesia untuk mengetahui jenis aerosol yang berada di wilayah Indonesia guna menentukan threshold yang tepat untuk wilayah Indonesia. b. Perlunya dikaji lebih lanjut mengenai efek washout dan efek angin terhadap distribusi aerosol. c. Perlunya mengetahui distribusi vertikal untuk setiap tipe aerosol agar dapat mengetahui ketinggian lapisan aerosol dan memudahkan untuk menganalisis distribusi baik secara horizontal maupun vertikal.
5
REFERENSI (2009, Februari 20). Retrieved 02 11, 2013, from Greenpeace: http://www.greenpeace.org/seasia/id/news/amerika -serikat-dan-indonesia/ Harisson, M. E., Page, S. E., & Limin, S. H. (2009). The global impact of Indonesian forest fires. Biologist , 156 -163. Hirugashi, A., & Nakajima, T. (2002). Detection of aerosol type over the East China Sea near Japan from four-channel satellite data. Geophysical Reasearch Letter , 12. Ichoku, C., Kaufman, Y. J., Remer, L. A., & Levy, R. (2004). Global aerosol remote sensing from MODIS. Advance in Space Research , 820-827. Jin, M., & Shepherd, J. M. (2008). Aerosol relationships to warm season clouds and rainfall at monthly scales over east China : Urban land versus ocean. Journal of Geophysical Research , 113 (D24S90). Kim, J., Lee, J., Lee, H. C., Hirugashi, A., & Takemura, T. (2007). Consistency of the aerosol type classfication from satellite remote sensing during the Atmospheric Brown Cloud-East Asia Regional Experiment campaign. Journal of Geophysical Research , 122. Kluser, L., & Holzer-Popp, T. Satellite observations of aerosol-cloud interactions. German Aerospace Center (DLR) - German Remote Sensing Datacenter (DFD). Lee, J., Kim, J., Song, C., Kim, S. B., Chun, Y., & Sohn, B. J. (2010).Characteristics of aerosol types from AERONET sunphotometer measurements. Atmospheric Environment , 3110-3117. Poschl, U. (2005). Atmospheric Aerosol : Composition, Transformation, Climate and Health Effects. 7520-7540. Rajab, J. M., MatJafri, M. Z., Lim, H. S., & Abdullah, K. (2009). Satellite Mapping of CO2 Emission from Forest Fires in Indonesia Using AIRS Measurements. Modern Applied Science , 3. Ramage. 1971. Role of A Tropical 'Maritime Continent" In The Atmospheric Circulation. Monthly Weather Review 96:6 , 365-370. Saha, K. 2009. Tropical Circulation Systems and Monsoons. University Park, Maryland: Springer Heidenberg Dordrecht. Santachiara, G., Prodi, F., & Belosi, F. (2012). A Review of Termo- and Diffusio-Phoresis ini the Atmospheric Aerosol Scavenging Process. Part 1 : Drop Scavenging. Atmospheric and Climate Science , 148-158.
6
