HUBUNGAN AIR TERKANDUNG DENGAN REFLEKTIFITAS RADAR

HUBUNGAN AIR TERKANDUNG DENGAN REFLEKTIFITAS RADAR "> Eddy Hermawan dan "> Yuanlta Handayati "> Peneliti Pusat Pemanfaatan Sains Aimosfer dan Iklim, LAPAN "] Program Studi Geofisika dan Meteorologi ITB [email protected] ABSTRACT This paper is mainly concentrated to t h e correlation between Total Precipitable Water (TPW) on one single column of t h e vertical air m a s s a n d radar reflectivity (Z) over Kototabang (0.2°S; 100.32°E), Bukittinggi, West Sumatera based on to t h e analysis of Radio Acoustic Sounding System (RASS) and Boundary Layer Radar (BLR) data d u r i n g t h e Coupling Processes of Equa.orial Atmosphere (CPEA) Campaign I from April 10 to May 9, 2 0 0 4 was going on. We firstly reviewed the basic concept of TPW using the Weisner method to estimate the TPW value from t h e radiosonde data. We reviewed t h e basic concept of RASS a n d BLR system also, especially on the Z data analysis. By arranging t h e m e a n value of RASS data every 10 minutes a n d 150 meter in height, respectively, we estimated t h e TPW values from t h e RASS data. By analysing t h e Cross Correlation Function (CCF) of both values taken from SPSS software version 13, we found a good agreement between TPW a n d Z parameter, especially on 5 May, 2004. The correlation values are 0.05, a n d 0.61 at a r o u n d 2.7 a n d 2.25 km, respectively. Although, t h e maximum correlation value is only 0 . 6 1 , b u t t h i s is still good enough to describe t h e correlation between TPW a n d Z. ABSTRAK Makalah ini u t a m a n y a dikonsentrasikan kepada korelasi a n t a r a banyiiknya air terkandung (TPW) dalam s u a t u tunggal kolom vertikal m a s s a u d a r a dengan besaran reflektifitas radar (Z) di a t a s Kototabang (0.2° LS dan 100.32° BT), Bukittinggi, Sumatera Barat berbasis hasil analisis data Radio Acoustic Sounding System (RASS) dan Boundary Layer Radar (BLR) selama kegiatan Coupling Processes Equatorial Atmosphere (CPEA) Campaign p e r t a m a sejak tanggal 10 April hingga 9 Mei, 2 0 0 4 berlangsung. Kami m e n e l a a h konsep dasar tentang TPW menggunakan metode Weisner (1970) u n t u k mengestimasi besarnya nilai TPW dari data radiosonde. Kami j u g a m e n e l a a h tentang konsep d a s a r tentang sistem RASS d a n BLR, k h u s u s n y a dalam analisis b e s a r n y a nilai Z. Dengan mengatur nilai rata-rata data RASS setiap 10 menit u n t u k setiap ketinggian 150 meter, kami mengestimasi besarnya nilai TPW dari data RASS. Dengan menganalisis CCF kedua nilai tadi yang 13

diambil dari software SPSS versi 13, k a m i m e n e m u k a n korelasi yang c u k u p baik a n t a r a b e s a r a n TPW dengan Z, k h u s u s n y a p a d a kejadian tanggal 5 Mei, 2004. Nilai korelasinya masing-masing 0.05 dan 0.61 p a d a ketinggian 2.7 dan 2.25 km. Meskipun nilai korelasi maksimum hanya 0 . 6 1 , n a m u n s u d a h dianggap baik u n t u k menggambarkan keterkaitan antaxa TPW dengan 2. Kata kunci : Total Precipitable Water, Radar ReflectiiHty 1

PENDAHULUAN

Sebagai s a t u - s a t u n y a kawasan maritim di daerah ekuator yang diapit oleh d u a B e n u a besar (Asia dan Australia) dan d u a S a m u d e r a besar (Pasifik d a n Hindia) dengan l a m a penyinaran m a t a h a r i y a n g relatif k o n s t a n (sekitar 12.1 j a m per hari) di m a n a 2 / 3 wilayahnya didominasi oleh lautan, m a k a Indonesia dianggap sebagai salah s a t u dari liga kawasan konveksi aktif di d u n i a sebagai k a w a s a n penyimpan p a n a s (bahang) baik p a n a s sensible m a u p u n p a n a s laten yang c u k u p besar bagi p e m b e n t u k a n awan-awan k u m u l o n i m b u s (Cb) (Hermawan, 2002). Banyak parameter c u a c a a t a u atmosfer yang berperan di kawasan ini, s a t u diantaranya adalah m a s a l a h u a p air yang m e r u p a k a n salah satu u n s u r penting da atmosfer k a r e n a berperan dalam proses-proses yang terjadi di atmosfer seperti penyerapan bahang, proses p e m b e n t u k a n awan, presipitasi d a n m e n e n t u k a n parameterparameter c u a c a lainnya. U a p air t e r u t a m a diperlukan u n t u k p r o s e s terjadinya k o n d e n s a s i di atmosfer. J u m l a h k a n d u n g a n u a p air dalam s u a t u kolom vertikal u d a r a jika seluruh u a p air dalam kolom tersebut mengalami kondensasi yang dapat diendapkan sekaligus d i t u r u n k a n sebagai hujan dikenal dengan scbutan air terkandung (Weisner, 1970 dalam Fikri, 2005). Air lerkandung ini perlu mendapat kajian lebih lanjut mengenai variasinya di atmosfer, k h u s u s n y a p a d a lapisan troposfer serta proses-proses peml>entukannya di atmosfer sehingga diketahui p e r u b a h a n air terkandung terutama sesaat sebelum kejadian hujan. J u m l a h air t e r k a n d u n g yang terdapat di atmosfer u m u m n y a diestimasi atau diduga dengan menggunakan d a t a dari radiosonde. Tetapi k a r e n a d a t a yang dihasilkan oleh radiosonde tidaklah kontinu, m a k a c u k u p sulit u n t u k menganalisis j u m l a h air terkandung dalam resolusi waktu yang singkat. Oleh k a r e n a itu digunakan d a t a Radio Acoustic Sounding System (RASS) yang dapat menghasilkan data dalam orde menitan d a n sensitif dalam mengamati profil p a d a ketinggian s a t u hingga lapisan Planetary Boundary Layer (PBL) sekitar 5 km di atas permukaan laut dengan tetap menggunakan hasil perhitungan d a t a radiosonde sebagai validasinya (Furumoto, 2002). Beberapa peneliti telah melakukan studi mengenai echo dari dengan menggunakan d a t a dari Boundary Layer Radar (BLR), seperti dilakukan Renggono et at (2000). Mereka berkesimpulan bahwa BLR dimanfaatkan u n t u k m e l a k u k a n pengamatan hujan, Kejadian hujan 14

hujan yang dapat dapat

diketahui dengan m e l a k u k a n analisa parameter BLR sehingga didapat hubungan a n t a r a echo BLR dengan c u r a h hujan. BLR berfungsi m e n e n t u k a n j a r a k d a n mengenal karakter objek. Dalam meteorologi istilah objek diartikan sebagai sesuatu yang berada di atmosfer yang dapat mengembalikan sejumlah daya ke penerima radar. Di lapisan troposfer, t e k a n a n parsial u a p air m e r u p a k a n kontributor u t a m a p a d a fluktuasi radio refractivity. Dengan demikian, j u m l a h u a p air yang terdapat di sekitar lokasi memiliki kontribusi yang besar t e r h a d a p echo power y a n g diterima olch BLR (Battan, 1973). Atas d a s a r pemikiran inilali m a k a penelitian ini dilakukan dengan tujuan u t a m a ingin mengetahui keterkaitan a t a u h u b u n g a n a n t a r a banyaknya air t e r k a n d u n g yang dinyatakan dalam besaran Total Precipitable Water (TPW) dengan reflektifitas radar yang dinyatakan dalam besaran radar reflectivity (Z) di Kototabang (0,2°LS, 100,32°BT), berdasarkan hasil analisis data RASS d a n BLR yang didukung oleh data radiosonde dan Optical Rain Gauge (ORG) selama kegiatan Coupling Processes Equatorial Atmosphere (CPEA) campaign I periode 10 April - 9 Mei 2004 berlangsung di a t a s SPD LAPAN Kototabang. 2

DATA DAN METODE

2.1 Data Data y a n g diperlukan dalam penelitian ini adalah sebagai b e r i k u t : • Data dari Radio Acoustic Sounding System (RASS) b e r u p a data kelembaban spesifik, dengan resolusi pengukuran dan waktu pengamatan masingmasing 150 meter d a n 10 menit. • Data radiosonde digunakan sebagai validasi data RASS. Data b e r u p a d a t a kelembaban dengan resolusi pengukuran 100 meter, p e l u n c u r a n dilakukan 3 sampai 8 kali setiap harinya. • Data reflektifitas r a d a r dari d a t a Boundary Layer Radar (BLR) dengan resolusi pengukuran d a n waktu pengamatan jnasing-masing 150 meter dan 10 menit. • Data angin dari BLR dalam b e n t u k binary b e r u p a a r a h d a n kecepatan angin, dengan resolusi p e n g u k u r a n d a n waktu pengamatan masing-masing 150 meter d a n 10 menit. • Data dari p e n a k a r c u r a h hujan Optical Rain Gauge (ORG) u n t u k validasi b e r u p a nilai c u r a h hujan rata-rata aktual dilapangan. Dengan resolusi pengamatan tiap 1 menit d a n resolusi p e n g u k u r a n n y a hingga 0.001 m m . S e m u a data tersebut kami peroleh dari Stasiun Pengamat Dirgantara (SPD) Kototabang, Bukittinggi, Sumatera Barat (0,2° LS, 100,32° BT) dengan periode 10 April - 9 Mei 2004 saat kegiatan CPEA {Coupling Processes Equatorial Atmosphere) campaign p e r t a m a berlangsung. 15

2 . 2 Metode T a h a p a n pengerjaan meliputi; identifikasi kejadian hujan b e r d a s a r k a n profil angin, identifikasi parameter kelembaban, estimasi air terkandung, estimasi reflektifitas radar, d a n estimasi hubungctn a n t a r a air t e r k a n d u n g dengan reflektifitas radar. Data BLR di-set u n t u k ketinggian 1-5 km, seperti kita ketahui b a h w a berbagai kejadian c u a c a terjadi p a d a lapisan troposfer bawah sekitar 1-5 km, sehingga diharapkan a k a n diperoleh analisa yang lebih akurat dalam mengidentifikasi kejadian hujan. Sedangkan selang waktu pengamatan BLR di-set u n t u k setiap 30 menit p a d a setiap ketinggian 1 km. Pengolahan d a t a BLR dilakukan dengan menggunakan perangkat komputer SUN Mycrosystem dengan software XY- Graph yang terdapat di Bidang Pemodelan Iklim LAPANBandung menggunakan program windrow, yang di set p a d a ketinggian 1-5 km, Ah = 1 km d a n At = 30, 60 d a n 120 menit dalam b e n t u k binary. Hasilnya b e r u p a gambar vektor angin terhadap ketinggian d a n terhadap waktu, yaitu u n t u k a r a h : zonal, meridional, vertical, d a n horizontal U n t u k mengetahui nilai-nilai dari kelembaban p a d a lapisan troposfer, m a k a digunakan d a t a kelembaban spesifik dari RASS. Data RASS yang tersedia mulai dari ketinggian 1.5 - 7.5 km dengan resolusi pengamatan tiap 10 menit. Data tersebut kemudian di-smoothing tiap 1 j a m serta dibuatkan profil vertikalnya dengan selang ketinggian 1-6 km. Menurut Weisner (1970) air terkandung didefinisikan sebagai j u m l a h air dalam s u a t u kolom u d a r a jika seluruh u a p air dalam kolom tersebut mengalami kondensasi. U n t u k menduga nilai air terkandung dengan formula :

Keterangan: w = air t e k a n d u n g Zi = ketinggian di i pZi = t e k a n a n di ketinggian zi (mb) p = k e r a p a t a n u a p air q = kelembaban spesifik a n t a r a lapisan p(z) d a n p(zi+ dz) (g/kg) U n t u k mengolah d a t a RASS, k a r e n a yang tersedia d a t a b e r u p a q, Tv dan Height digunakan formula : 1

w=— 16

z=Pz~dp

\qdp

(2-2)

17

18

\ Hubungan antara reflektifitas radar dengan air terkandung |

Gambar 2 - 1 : Diagram alir pengolahan d a t a 19

3

HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Hasil Data BLR di-set p a d a ketinggian 1 hingga 5 km dengan resolusi pengamatan d a n ketinggian rata-rata setiap 30 menit d a n 1 km u n t u k mengidentifikasi kejadian hujan yang t u r u n p a d a saat itu.

(a) (b) Gambar 3 - 1 : Identifikasi kejadian hujan (a) profil angin horisontal-vertikal hasil p e n g a m a t a n BLR (b) intensitas c u r a h hujan hasil p e n g a m a t a n ORG periode 10 April-9 Mei 2004 Gambar 3-1 di atas memperlihatkan bidang waktu-ketinggian dari angin horisontal-vertikal. Arah p a n a h m e n u n j u k k a n a r a h angin, sedangkan panjangnya p a n a h m e n u n j u k k a n besarnya kecepatan angin. Pada saat u d a r a cerah, gerakan angin ke a t a s a t a u ke bawah dapat t e r u k u r dengan baik, tetapi p a d a saat terjadi hujan, k a r e n a yang terukur oleh BLR adalah 20

kecepatan j a t u h dari butir hujan, m a k a arah p a n a h p a d a saat hujan adalah ke bawah d a n mempunyai kecepatan yang c u k u p besar. Profil angin horisontal-vertikal periode 10 April-9 Mei 2004 memperlihatkan bahwa p a d a tanggal 5 Mei kecepatan angin ke bawah c u k u p besar, yang mengindikasikan kejadian hujan. Profil angin tersebut dibandingkan dengan d a t a intensitas curah hujan dari ORG, yang menunjukkan bahwa pada tanggal 5 Mei terjadi hujan dengan intensitas terbesar u n t u k periode 10 April-9 Mei 2004. Pada periode 4-7 Mei, kecepatan angin ke arah bawah didominasi pada tanggal 5 Mei. Kemudian u n t u k mengidentifikasi kejadian hujan p a d a tanggal 5 Mei, dibuat profil angin setiap jamnya. Profil angin p a d a pukul 1416 memperlihatkan kecepatan angin ke arah bawah yang besar d a n intensif, pada waktu yang b e r s a m a a n dari data ORG tercatat kejadian hujan yang kontinu. Oleh k a r e n a itu tugas akhir ini memfokuskan p a d a tanggal 5 Mei 2004 pukul 14.00-16.00 waktu setempat. Horizontal-Vertical Velocity"* 6 M*y 3004

Gambar 3-2: Kesesuaian profil angin horizontal-vertikal dan intensitas curah hujan p a d a tanggal 5 Mei 2004 pukul 14.00-16.00 waktu setempat 21

Profil vertlkal kelembaban spesifik 5 Mel 2004 ( j | 1 0 menlt

x

io'3

(b) Gambar 3-3: Profil kelembaban spesifik dari d a t a RASS (a) d a n (b) radiosonde p a d a tanggal 5 Mei 2004 p u k u l 14.00-16.00 w a k t u setempat Gambar 3-3 di a t a s m e n u n j u k k a n perbandingan nilai kelembaban spesifik dari d a t a RASS dengan d a t a radiosonde p a d a tanggal 5 Mei 2004. Hasilnya m e n u n j u k k a n b a h w a k o n t u r RASS relatif lebih baik dibandingkan dengan radiosonde. Hal ini disebabkan RASS memiliki resolusi pengamatan yang relatif lebih baik (144 profil RASS dibandingkan dengan 5 profil radiosonde). B e r d a s a r k a n hasil di a t a s , m a k a RASS dapat d i g u n a k a n u n t u k mengestimasi b e s a r a n air terkandung. Analisis lebih lanjut dari Gambar 3-3a di a t a s m e n u n j u k k a n bahwa p e n u r u n a n kelembaban spesifik yang signifikan terlihat c u k u p jelas p a d a tanggal 5 Mei (pukul 07.00-09.00, 21.00-00.00). Pada jam-jam diantaranya terlihat nilai kelembaban spesifik mengalami kenaikan d a n nilainya c u k u p besar, t e r u t a m a p a d a p u k u l 14.00-16.00. Hal ini mengindikasikan b a h w a p a d a waktu tersebut k a n d u n g a n u a p air c u k u p besar yang nantinya dapat diendapkan dan d i t u r u n k a n sebagai hujan dengan intensitas yang c u k u p besar. Hal ini sesuai dengan profil angin dari data BLR dan data intensitas curah hujan dari data ORG, p a d a waktu 22

yang b e r s a m a a n profil angin BLR baik dalam a r a h zonal, meridional, horisontal m a u p u n vertikal memperlihatkan adanya aktivitas angin ke a r a h bawah dengan kecepatan yang c u k u p besar d a n intensif, d a t a ORG menunjukkan intensitas c u r a h hujan yang besar d a n kontinu. Air t e r k a n d u n g yang dapat d i t u r u n k a n sebagai hujan, dihitung dari dua level t e k a n a n yang berbeda. Dari profil kelembaban spesifik diperoleh bahwa nilai kelembaban spesifik p a d a lapisan troposfer bawah mendominasi dibandingkan lapisan yang lainnya. Hal ini dapat dikaitkan dengan banyaknya u a p air yang j u g a terkonsentrasi p a d a lapisan troposfer bawah, khususnya p a d a ketinggian 1,5 - 3,15 km. Banyaknya u a p air berkaitan dengan nilai air t e r k a n d u n g p a d a lapisan tersebut, sehingga a k a n dianalisis variasi air t e r k a n d u n g dari ketinggian 1,5 km hingga 3,15 km p a d a tanggal 5 Mei 2004 p u k u l 14:00 - 16:00 waktu setempat.

Profit R e f l e k t i f i t a a R a d a r P a d a T a n g g a l 5 M e i Pukul 14:00-16:00 dl Ketinggian Tertentu

(b) Gambar 3-4: Profil vertikal air t e r k a n d u n g hasil p e m a n t a u a n d a t a RASS (a) d a n (b) profil reflektifitas radar hasil p e m a n t a u a n BLR p a d a tanggal 5 Mei 2004 a n t a r a p u k u l 14:00 - 16:00 w a k t u setempat (local time) 23

Dengan a s u m s i bahwa nilai reflektifitas radar berkorelasi dengan air terkandung p a d a ketinggian yang sama, m a k a besarnya nilai h u b u n g a n keduanya p a d a tanggal 5 Mei 2004, pukul 14:00 - 16:00 diperlihatkan p a d a Tabel3-1. Tabel3-l:KORELASI AIR TERKANDUNG DENGAN REFLEKTIFITAS RADAR UNTUK BEBERAPA KETINGGIAN

24

-9,34 1,72 22,73 14,535 33,59 5,72 2,6 -3,08 -12,19 -1,255 6,24 1,28 2,25 -4,39 -2,81 11,36 28,86 4,63 5,73 -5,78 -14,61 -7,18 1,18 -0,97 2,1

0,036019 0,035269 0,034063 0,037209 0,038752 0,037925 0,035574 0,034731 0,036843 0,035119 0,037824 0,036886 0,053183 0,051825 0,054531 0,057084 0,055998 0,051928 0,050826 0,053954 0,051559 0,055861 0,054499

3

0,289

3,15

0,609

-28,36 -3,84 17,12 8,06 5,53 14 -3,9 6,935 -3,65 -1,01 13,53 -24,93 -18,72 -2,62 1,445 8,27 -5,23 5,53 1,84 12,81

0,137366 0,152748 0,143165 0,171679 0,163379 0,189425 0,186771 0,170635 0,174963 0,181578 0,170314 0,180731 0,207582 0,201241 0,191152 0,222128 0,218325 0,199812 0,204392 0,198928

-0,245

-0,137

•-

Dari Tabel 3-1 di atas, terlihat besarnya korelasi a n t a r a air terkandung dengan reflektifitas radar bervariatif, mulai dari 0.05 (pada ketinggian 2.7 km) hingga 0.61 (pada ketinggian 2.25 km). Nilai korelasi sebesar 0.6 dianggap baik m e n u r u t Sudjana (1996), sehingga kombinasi data BLR-RASS dapat digunakan u n t u k analisis lebih lanjut dalam p e n e n t u a n b e s a r a n TPW di a t a s . 4

KESIMPULAN

H u b u n g a n a n t a r a air terkandung dengan reflektifitas radar berdasarkan analisis d a t a RASS d a n BLR telah dicoba p a d a tugas akhir ini dan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Dari d a t a RASS dan Radiosonde memperlihatkan adanya k e s a m a a n (konsistensi) kelembaban spesifik yang terdapat di atmosfer. Kejadian hujan juga terlihat p a d a kesesuaian data intensitas curah hujan dari ORG d a n d a t a profil angin dari BLR. Air terkandung terkonsentrasi pada lapisan troposfer bawah (ketinggian 1.5 - 3.15 km), di m a n a berbagai gejala c u a c a terjadi p a d a lapisan tersebut. Antara air t e r k a n d u n g yang diperlihatkan oleh d a t a RASS dengan reflektifitas radar dari BLR j u g a m e n u n j u k k a n adanya h u b u n g a n yang signifikan, dengan korelasi sebesar 0.61 p a d a ketinggian 2.25 km tanggal 5 Mei 2004 p u k u l 25

11 00 - l[i:00 Hengan resolust pengam&lan d a n kctltlggian sctiap 10 o e n i l d a n 1^)0 m e i t r . Ucapan Terima K u i h Tetima kasih k a n i u c a p k a n kcpiida . J roI Bayong Tjjisynnii, HK DRA atas segala, kritik, tanggapan dan saran dalam pemb.iaUin paper im J u ^ i kepada pihak RESH. UnivKihitas Kyoto Jepanp; dan Shimae University, J t p a n g k b u s u s n y a Dr. Jun-iuhi Funimntn atan supporting data RASS yang; Cjbcrikan. Jn^i] k r p a d a Di. Pindy Renggonu U l&ig dcizi UPT Hnjnn FSuat.in, ^PFT Jajtaila .irn?3 knreks, d a t a reflckuiltas r a d a r BLR yang dibtiikan DAPTAR RUJUKAN BaiLan, L J . h 1973 Radar Observation of The AtTrtnaphfrt University of Chicago. Luiidon Furumoto, Jun-ichi, 2002 Qhsi'ruifiuri of Turbulence Echo Characteristics and Humidity Profiles with t'tt Mil Rudar RASS. Thrsis J a p a n . Hf-shigurhi, H.; Fukao. Shoicturo; MorUajii, ~z , 2004. A Isomer Troposohere Radi-ir l 3 GH? Ad&ve Phased-Array Ttjpe Wind Profiler iviih RASS Journal of Lhc Mt-teornlngiral Society of J a p a n S2 (3) : 9 1 5 - 9 3 1 . Hrrmawan, Eddy, 2003 Ferbattrfingin Antara Radar Atmosfer Khcttulistium dengan Middle ar>jd Upper At"ivsp},f*rc Radnr daiam Pemantauan Angsn Zurtcrl iltin Angm Mendioral Juacni, Ian, 1988 Air Tffkandung dm, tiubiuiyutinya rirnqnii Titik Embun Permukaan, Auxin din H-ijun. Skripsi. J u m s a n Geoiisika dan Mi.-teoiolngi, FMIPA - 1TB. tfandung MuIuiTiimad, Fikn h 2005. E^twdti^i Totc/t Prrripttabie Water Berdasarkan AT within Dales Radio Acoustic Sounti,ny System (RASS) di Atns K
26