SISTEM ANGIN oleh : Bayong Tjasyono HK. Kelompok Keahlian Sains Atmosfer Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian Institut Teknologi Bandung
Disampaikan pada Workshop Turbin Angin Kecepatan Rendah dan Peta Potensi Angin Resolusi Tinggi, Tanggal 21 – 22 Agustus 2007, Bandung
Definisi Angin adalah udara yang bergerak sejajar dengan permukaan bumi, dari tekanan tinggi ke tekanan rendah. Angin diberi nama, dari arah mana angin datang. Contoh : angin yang datang dari timur ke barat disebut angin timur, angin yang datang dari laut ke darat disebut angin laut. Angin adalah besaran vektor yang mempunyai besar dan arah. Wind speed artinya skalar : besar kecepatan saja, sedangkan wind velocity artinya besaran vektor : besarnya kecepatan dan arahnya. Wind speed diukur dengan anemometer, wind direction diukur dengan wind vane, dan wind velocity diukur dengan anemovane.
• Alat Pengukur Angin a. Dahulu, sebelum ada alat pengukur, angin ditaksir dengan skala kekuatan angin yang dikemukakan oleh armada Beaufort dan disebut skala Beaufort. Ada 13 skala dari skala Beaufort 0 (nol) artinya angin tenang (calm) sampai skala 12 artinya angin siklon. Tabel 1. Hubungan skala (bilangan) Beaufort dan kecepatan angin Skala Beaufort
Keadaan angin
Gejala yang diamati
0
Tenang
Tenang, asap naik vertikal.
1
Udara ringan
Arah angin ditunjukkan oleh arah hanyut asap, tetapi tidak oleh pengukuran arah angin
Kecepatan Angin knot
ms-1
km/j
<1
0 – 0,2
<1
1–3
0,3 – 1,5
1–3
Skala Keadaan Beaufort angin
Gejala yang diamati
Kecepatan Angin knot
ms-1
km/j
2
Sepoi lemah
Angin terasa pada muka; daun-daun menggeresik; alat pengukur arah angin mulai digerakkan angin.
4–6
1,6 – 3,3
4–7
3
Sepoi lembut
Daun dan ranting kecil tetap bergerak; angin membentangkan bendera ringan.
7 – 10
3,4 – 5,4
12 – 19
4
Sepoi sedang
Debu dan kertas naik ke atas; cabang kecil bergerak.
11 – 16
5,5 – 7,9
20 – 28
5
Sepoi segar
Pohon kecil mulai bergoyang; timbul bentuk gelombang kecil pada perairan pedalaman
17 – 21
8,0 – 10,7
29 – 38
6
Sepoi kuat
Cabang besar bergerak; Kawat telpon kedengaran berdesing; sulit memakai payung.
22 – 27
10,3 – 13,8
39 – 49
Skala Keadaan Beaufort angin
Gejala yang diamati
Kecepatan Angin knot
ms-1
km/j
7
Angin ribut lemah
Seluruh pohon bergerak; tidak mudah berjalan melawan angin.
28 – 33
13,9 – 17,1
50 – 61
8
Angin ribut
Ranting pohon patah; umumnya menghalangi gerak maju.
34 – 40
17,2 – 20,7
62 – 74
Angin Kerusakan ringan pada ribut kuat bangunan
41 – 47
20,8 – 24,4
75 – 88
9
10
Badai
Jarang terjadi di pedalaman; pohon tumbang; kerusakan agak besar pada bangunan.
48 – 55
24,5 – 28,4
89 – 102
11
Badai amuk
Sangat jarang terjadi; disertai kerusakan yang luas.
56 – 63
28,5 – 32,6
103 – 117
12
Siklon
> 64
> 32,7
> 118
b. Dengan alat
Gambar 1a. Anemovane
Gambar 1b. Anemovane balingbaling
• Satuan Angin Dalam pengamatan cuaca; Kecepatan angin dinyatakan dengan knot = 1 mil laut/jam ~ 0,5 ms-1. Arah angin dalam derajat dari utara pada skala 0 – 3600. Angin timur = 900, angin utara = 3600, angin tenang = 00 dan seterusnya. Dalam berita sinop dan kode cuaca, angin dinyatakan dengan kode ddff, dimana dd : arah angin dalam sepersepuluhan, dan ff : kecepatan angin dalam knot. Contoh angin timur dengan kecepatan 5 knot, kode cuacanya ditulis ddff = 0905. Angin utara dengan kecepatan 12 knot, ddff = 3612. Angin tenang (calm), ddff = 0000, dan seterusnya. Catatan : jika kecepatan angin melebihi 100 knot maka sandi (kode) ff – 100 dan dd + 50. Contoh : Angin barat dengan kecepatan 5 knot maka ddff = 2705. Bandingkan dengan angin barat, kecepatan 105 knot, ddff = 7705.
Angin dalam Meteorologi dan Penerbangan. Dalam Meteorologi, angin diamati dalam 8 arah : N, NE, E, SE, S, SW, W, NW. Dalam Penerbangan, angin diamati dalam 16 penjuru : N, NNE, NE, ENE, E, ESE, SE, SSE, S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW. North : 3600 North North East : 22,50 North East : 450 East North East : 67,50 East : 900 East South East : 112,50 South East : 1350 South South East : 157,50 South : 1800
South South West : 202,50 South West : 2250 West South West : 247,50 West : 2700 West North West : 292,50 North West : 3150 North North West : 337,50 Calm : 00 (bukan angin)
Gambar 2. Arah angin dalam derajat.
• Sirkulasi Atmosfer di Bumi a. Angin general atau sirkulasi atmosfer umum
adalah gerak udara (angin) rata-rata dipermukaan bumi. dipengaruhi oleh gaya rotasi bumi atau gaya Coriolis = 2 sin . v dimana : : kecepatan sudut rotasi bumi
2 rad 1 hari
7,3 x 105 rad . s1
: lintang tempat V : kecepatan angin
Disekitar ekuator (daerah ekuatorial) angin konvergen dan naik, sehingga angin permukaan menjadi lemah. Daerah ini disebut doldrums (daerah melempem). Pita konvergensi angin pasat disebut zona konvergensi intertropis, atau palung ekuator, atau ekuator meteorologis.
Gambar 3. Pola angin general permukaan bumi.
b. Sirkulasi atmosfer meridional
Model sirkulasi atmosfer global pertama digambarkan oleh G. Hadley pada tahun 1735. Sirkulasi Hadley pada dasarnya sirkulasi termal langsung. Contoh dari sirkulasi termal adalah angin darat dan laut. Udara naik di daerah ekuatorial yang panas dan bergerak keutara, kehilangan energi termal, kemudian turun di daerah kutub yang dingin dan kembali ke lintang rendah sebagai angin permukaan Menurut gambar 4, ada gaya gradien tekanan Fp dari kutub ke ekuator di troposfer bawah dan dari ekuator ke kutub di troposfer atas.
Gambar 4. Sel Hadley
c. Sel Ferrel Maury (1855) mengemukakan sirkulasi atmosfer meridional terdiri dari dua sel, yaitu satu sel antara ekuator dan lintang sekitar 300 U dan S disebut sel Hadley dan satu sel tak langsung (indirect cell) pada lintang tinggi. Ferrel (1856) mengkaji tekanan di permukaan bumi dan mendapatkan tekanan tinggi (H) di lintang sekitar 300 U dan S disebut lintang kuda (horse latitude), dan tekanan rendah (L) terdapat di sekitar ekuator dan kutub. Jadi Ferrel menemukan 3 sel sirkulasi atmosfer yaitu sel Hadley, sel Ferrel dan sel Kutub. Maury menemukan 2 sel dan Hadley menemukan 1 sel sirkulasi atmosfer.
Gambar 5. Sirkulasi atmosfer meridional menurut Ferrel (1856)
d. Sirkulasi atmosfer zonal
Selain pertemuan sirkulasi atmosfer meridional terutama sel Hadley (angin pasat), Indonesia juga merupakan pertemuan sirkulasi atmosfer zonal yang disebut Sirkulasi Walker. Dalam tahun normal sirkulasi ini konvergen di sekitar wilayah Indonesia, tetapi dalam tahuntahun El Niño terdapat subsidensi sirkulasi Walker.
Gambar 6a. Sirkulasi Walker normal
Gambar 6b. Sirkulasi Walker tahun El Niño
• Jenis Angin a. Angin lokal
Sebagai benua maritim; garis pantai 80.791 km, jumlah pulau 17.508 pulau besar dan kecil. Terjadi interaksi antara pulau dan laut. Karena kapasitas panas laut jauh lebih besar daripada darat maka terjadi angin lokal; angin laut dan angin darat.
Gambar 7a. Angin laut, sianghari
Gambar 7b. Angin darat, malam hari
Sebagai wilayah pegunungan terjadi angin lembah (arus anabatik) dan angin gunung (arus katabatik). Pada siang hari lereng lebih panas daripada lembah, sedangkan malam hari lereng lebih dingin daripada lembah.
Gambar 8. Angin lembah (a) dan angin gunung (b).
a. Angin Föhn Nama Föhn dikenal di Jerman dan Austria. Dengan susut suhu udara basah 0,60 / 100 m dan udara kering 1 0C / 100 m. Jika tinggi gunung 4 km, maka jika angin permukaan mempunyai temperatur 5 0C pada lereng yang satu, akan mempunyai temperatur permukaan pada lereng yang lain 19 0C setelah menaiki gunung. Föhn mempunyai sifat panas, kering, kencang, dan mempengaruhi fisiologi dan psikologi manusia. Di Indonesia misalnya angin kumbang, angin bohorok, dll.
Gambar 9. Angin Föhn.
• Monsun
Gambar 10. Mekanisme Monsun.
• Siklon Tropis
Gambar 11. Siklon Tropis di BBU.
Angin Rata-rata, Angin Paduan dan Angin Utama Angin rata-rata adalah jumlah kecepatan angin tanpa memperhitungkan arahnya dibagi jumlah pengamatan :
V
Vi i 1 n n
Vi, : V1, V2, … Vn : kecepatan angin pada pengamatan ke 1, … n. n : jumlah pengamatan angin termasuk angin tenang Angin paduan (resultant wind). Angin adalah gerak udara horisontal, jadi dalam koordinat Kartesian (x, y), dimana x arah zonal : barat–timur dan y arah meridional : selatan–utara. Karena angin bertiup dalam 8 penjuru, maka kecepatan angin paduan dihitung dengan komponen zonal vx dan komponen meridional vy.
Kecepatan angin paduan arah barat – timur : Vx
W E 0,707 SW NW 0,707 SE NE n
Kecepatan angin paduan arah selatan – utara : Vy
S N 0,707 SW SE 0,707 NE NW n
Kecepatan angin paduan :
V Catatan : V i vx jvy
y
Vx2 Vy2 j Vy
V
X i Vx
N, E, S, W, ... : jumlah kecepatan angin
utara, timur, selatan, … dst
Persistensi Angin adalah perbandingan kecepatan angin paduan dengan angin rata-rata : P=V/V Persistensi Angin P = 1, artinya angin bertiup dalam arah sama. P = 0, angin bertiup dengan kemungkinan sama dari semua penjuru atau angin bertiup separo waktu dari satu arah dan separo waktu lagi dari arah berlawanan. Angin Utama (Prevailing Wind) adalah angin yang mempunyai frekuensi arah terbanyak dalam distribusi frekuensi angin yang digambarkan dengan mawar angin (wind rose)
Gambar 12. Mawar angin, BMG, Juni 1993, jam 9 WIB.
Geser Angin (Wind Shear) Karena angin adalah gerak udara horisontal, maka yang dimaksud geser angin terhadap ketinggian atau geser angin vertikal yaitu perubahan kecepatan angin terhadap ketinggian (dV/dz) Kecepatan angin makin keatas makin besar dan Z mendekati angin gradien karena menjauhi gesekan permukaan. z3 V3 Geser angin dinyatakan V2 dengan profil angin z2 V1 vertikal, misalnya profil z1 V angin hukum pangkat, profil angin logaritmik, dll.
Profil angin bentuk pangkat, secara praktis dinyatakan :
Uz
Z U10 10
n
dimana : Uz : kecepatan angin pada tinggi z. U10 : kecepatan angin pada tinggi referensi 10 m. n : parameter, bergantung stabilitas atmosfer n = 0,2 untuk tujuan praktis. Profil angin logaritmik berlaku untuk kondisi atmosfer netral
U
U* Z n , berlaku k Z0
Z Z0
dimana : k = 0,4 : konstanta von Karman Z0 : parameter kekasaran U* : / : kecepatan gesekan : tegangan geser permukaan ~ 1 – 10 dyne/cm3. : densitas atmosfer lingkungan
Angin Gradien Angin gradien (geostrofik) adalah angin tanpa gesekan, biasanya pada ketinggian 1500 m dimana gesekan permukaan dapat diabaikan. Ketinggian angin gradien bergantung pada parameter kekasaran.
Gambar 13. Profil vertikal angin di atas kota, desa dan pantai. Sumber : Davenport (1965).
Angin sekitar Bangunan Angin memisahkan untuk membentuk rongga (cavity) dibelakang gedung. Angin balik terjadi
di dalam rongga (ruang) sehingga sumbersumber angin dibawa keatas.
Polusi yang mencapai rongga ini cenderung akan tetap (tidak bergerak) karena terjadi percampuran sangat lemah antara rongga dan arus utama.
Gambar 14. Arus utama disekitar bangunan. Adanya gertakan bangunan pada tanah terbuka akan merubah arah angin. Sumber Perkins, 1974.
Pengaruh Bangunan pada Polusi a) Jika cerobong tinggi maka pada rongga (cavity) bersih polutan tetapi kepulan masuk dalam jalur olakan (wake). Difusi kebawah meningkat oleh percampuran yang terjadi dalam olakan turbulen. b) Dalam kasus ini kepulan masuk kedalam rongga dari depan sehingga terjadi konsentrasi tinggi pada sisi belakang gedung. Studi empirik menunjukkan bahwa cerobong asap yang terletak pada atau dekat gedung, maka Hs > 2,5 Hb dimana Hs : tinggi cerobong (stack) dan Hb : tinggi bangunan (Stern, 1968).
Gambar 15. Efek pemisahan pada dispersi kepulan asap. (a) tinggi cerobong lebih tinggi, (b) hampir sama dari pada gedung. Sumber : Perkins, 1974
Gambar 16a. Peta mawar angin di Indonesia bulan Januari.
Gambar 16b. Peta mawar angin di Indonesia bulan Juli (The Asean Climatic Atlas, 1982).
Gambar 17. Angin laut di Laut Jawa (Braak, 1921).
Gambar 18. Hubungan beda temperatur darat – laut dengan kecepatan angin laut.
• Daftar Pustaka Perkins H. C., 1974. Air Pollution. Mc. Graw – Hill Book Company, New York. Plate E. J., 1982. Engineering meteorology, Elsevier Publishing Company, Amsterdam. Sadoki W., 1994. Studi angin sebagai sumber energi alternatif di Indonesia. Tugas Akhir, GM – ITB, Bandung. Ponofsky, H. A., 1968. Some Applications of Statistics to Meteorology, University Park, Pennsylvania. Bayong Tjasyono HK., 1991. Meteorological aspect of air pollution in the Jabotabek Area, Report of LLAJR air pollution, ITB, Bandung. Forsdyke, A. G., 1970. Meteorological factors in air pollution, WMO, No. 274. Geneva. Bayong Tjasyono HK., 2004. Klimatologi, Penerbit ITB, Bandung. Bayong Tjasyono HK., 2006. Meteorologi Indonesia I : Karakteristik dan Sirkulasi Atmosfer, Penerbit BMG, Jakarta. Bayong Tjasyono HK., dan Sri Woro H., 2006. Meteorologi Indonesia II : Awan dan Hujan Monsoon, Penerbit BMG, Jakarta.
