STUDI INTERAKSI LAUT-ATMOSFER TERHADAP CURAH HUJAN MENGGUNAKAN SKENARIO MODEL KOPEL (STUDI KASUS MALUKU UTARA)
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
RESSY OKTIVIA NIM : 22405002 Program Studi Sains Kebumian
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
STUDI INTERAKSI LAUT-ATMOSFER TERHADAP CURAH HUJAN MENGGUNAKAN SKENARIO MODEL KOPEL (STUDI KASUS MALUKU UTARA)
Oleh Ressy Oktivia NIM : 22405002
Program Studi Sains Kebumian Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tim Pembimbing
Tanggal ………………………..
Pembimbing Pertama,
Pembimbing Kedua,
__________________ (DR. Tri Wahyu Hadi)
_________________ (DR. Edvin Aldrian)
ABSTRAK STUDI INTERAKSI LAUT-ATMOSFER TERHADAP CURAH HUJAN MENGGUNAKAN SKENARIO MODEL KOPEL (STUDI KASUS MALUKU UTARA) Oleh Ressy Oktivia NIM: 22405002
Sebagai benua maritim, Indonesia dikenal memiliki variasi iklim lokal yang beragam. Maluku Utara merupakan salah satu wilayah yang sering disebut memiliki variasi iklim lokal yang kuat. Data pengamatan menunjukkan bahwa distribusi curah hujan bulanan wilayah Maluku Utara mengalami maksimum pada sekitar pertengahan tahun, dan dikenal dengan pola anti monsunal atau tipe lokal. Pola curah hujan wilayah Maluku Utara yang demikian belum banyak yang meneliti, sehingga perlu dilakukan studi yang lebih banyak lagi. Pada studi ini disimulasikan model laut global dari Max Planck Institute-Ocean Model dan model atmosfer regional dari Max Planck Institute-Regional Climate Model atau Regional Atmospheric Model. Kedua model digabung menggunakan OASIS coupler yang berfungsi mensinkronkan waktu selama kopling atau pertukaran data. Pertukaran data terjadi secara aktif di permukaan laut dan berlangsung setiap 6 jam (langkah waktu kopel). Data masukan yang digunakan dalam simulasi model kopel berasal dari data reanalisis European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ERA15. Simulasi model kopel dijalankan dengan dua skenario. Pada skenario pertama, yang juga digunakan sebagai model kontrol, seluruh domain model atmosfer memperoleh data temperatur permukaan laut, Sea Surface Temperature-SST, dari hasil perhitungan model laut. Ini berarti bahwa pada seluruh domain model atmosfer terjadi proses interaksi dari laut ke atmosfer (coupled on). Sedangkan pada skenario kedua diterapkan metoda masking, yaitu memisahkan mana daerah yang dikopel dan mana daerah yang tidak dikopel. Caranya dengan mengkondisikan SST yang digunakan di wilayah Maluku Utara berasal dari data ERA15, sehingga di wilayah tersebut tidak terjadi proses interaksi dari laut ke atmosfer (coupled off). Sementara pada domain model atmosfer lainnya tetap terjadi proses interaksi dari laut ke atmosfer. Berdasarkan variabilitas SST lokal yang diterapkan pada simulasi model kopel diperoleh hasil bahwa distribusi curah hujan antartahunan dengan skenario coupled on lebih baik daripada skenario coupled off. Variabilitas SST lokal tersebut berpengaruh pada perbedaan karakteristik tipe hujan, dalam hal ini, yang i
lebih dipengaruhi adalah perbedaan tipe hujan konvektif/efek lokal. Hal ini mengindikasikan bahwa pola atau distribusi curah hujan wilayah Maluku Utara lebih kuat dipengaruhi oleh iklim laut lokal dibanding efek skala luas seperti sirkulasi angin regional. Pernyataan tersebut juga didukung dari analisis mean difference significance coupled off terhadap coupled on. Diperoleh bahwa distribusi beda nyata curah hujan antartahunan lebih dipengaruhi oleh distribusi beda nyata tipe hujan konvektif antartahunan, sementara tipe hujan stratiform tidak berbeda nyata. Perbedaan tipe hujan konvektif dan tipe hujan stratiform serta distribusi beda nyata curah hujan antartahunan dan tipe hujan konvektif tersebut lebih fluktuatif pada perioda Maret-April-Mei (MAM) atau saat boreal spring dibanding perioda Juni-Juli-Agustus (JJA) atau saat boreal summer ataupun perioda lainnya. Hal ini dikarenakan pada perioda MAM terjadi interaksi antara laut dan atmosfer, terutama antara variabel panas laten dengan variabel SST yang saling mempengaruhi. Kata kunci: interaksi laut-atmosfer, model laut, model atmosfer, simulasi model kopel, masking, mean difference significance, lead-lag correlation.
ii
ABSTRACT SEA-AIR INTERACTION ON RAINFALL STUDY USING COUPLED MODELING SCENARIO (CASE STUDY NORTH MOLUCCA) By Ressy Oktivia NIM: 22405002
The maritime continent, Indonesia has various distinct local climate, whereas one of them has a strong local climate over Molucca. Observation data show that the local monthly rainfall distribution has a maximum value in the middle of the year, and known as anti-monsoonal pattern. But there are yet not many researchers to investigate that pattern. This study employs the global ocean model from Max Planck Institute-Ocean Model and the atmospheric model from Max Planck Institute-Regional Climate Model or Regional Atmospheric Model. Both models are coupled using an OASIS coupler. The task of the coupler is to time synchronization for coupling processes or data exchange at every six hour (the coupled time step), because both models have been ran at different time steps. This study uses data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts reanalysis, ERA15. Coupled model simulation has been ran using two different scenarios. For the first scenario, which is also used as the control run, the whole atmospheric model domain receives sea surface temperature (SST) from the ocean model. This means that there is sea-air interaction process (coupled on). While, for the second scenario, the masking method is applied (coupled off), or SST taken from ERA15 for Molucca region only. For the other domain, SST comes from ocean model. So, there is no sea-air interaction process in Molucca region. Simulation results of local SST variability indicate that the interannual rainfall distribution from coupled-on scenario better than that one. That local SST variability affects more on Molucca’s local rainfall pattern. In this case, characteristic difference of rainfall type that influenced is more on convective type of rainfall. This result indicates that rainfall variability is influenced more strongly by local ocean climate, rather than large scale effect such as the regional wind circulation. Mean difference significance analysis coupled-off to coupled-on also shows that, interannual rainfall significance difference distribution is influenced more strongly by the interannual convective type of rainfall, whereas there is no significance difference on stratiform type of rainfall. During boreal spring period, differences of convective and stratiform types of rainfall and the interannual rainfall significance difference are much fluctuated rather than those iii
during boreal summer period. Because during boreal spring period, there is an interaction between sea and air, especially between the latent heat and SST variables that influence each other. Keywords: sea-air interaction, ocean model, atmospheric model, coupled model simulation, masking, mean difference significance, lead-lag correlation.
iv
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
v
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap Syukur Alhamdulillah serta atas Rahmat dan Berkat Allah SWT, penulis dapat menyelesaikan tesis ini dengan segenap keterbatasan dan kendala yang ada, terutama dari diri sendiri. Tetapi dengan bantuan banyak pihak, akhirnya hal tersebut dapat teratasi.
Untuk itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada Dr. Tri Wahyu Hadi dan Dr. Edvin Aldrian selaku Pembimbing, atas segala saran, bimbingan, fasilitas, diskusi, dorongan dan semangat selama ini. Tak lupa, ucapan terima kasih penulis sampaikan juga kepada Kepala Pusat Pembinaan Pendidikan dan Latihan - Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (Pusbindiklat - BPPT) beserta segenap jajarannya, atas kesempatan tugas belajar dalam rangka Program Peningkatan Pendidikan dan Keterampilan di Dalam Negeri yang diberikan kepada penulis.
Tak lupa ungkapan terima kasih penulis haturkan kepada Bapak dan Ibu Dosen pada Program Studi Sains Kebumian, yang telah banyak memberikan ilmu dan membuka wawasan penulis. Juga kepada Bapak dan Ibu dosen penguji, Dr. rer. nat. Mutiara R. Putri, Prof. Dr. Bayong Tjasyono H. K., dan Dr. Plato Martuani Siregar, terima kasih atas saran, diskusi dan masukannya. Terima kasih juga penulis sampaikan kepada Direktur Pusat Teknologi Lingkungan (PTL) - BPPT dan Kepala Unit Pelayanan Teknis Hujan Buatan (UPT HB) - BPPT beserta segenap Bapak-bapak dan Ibu-ibu pada kedua unit tersebut yang tidak mungkin penulis sebutkan satu per satu, atas bantuan, diskusi dan kerjasamanya selama ini.
Last but not least, keluarga yang selalu mendukung: suamiku E. Winnetou Nasution serta anak-anakku Erdanoe Apriyan Nasution dan Ervand Aulia Nasution, terima kasih untuk do’a, kasih sayang, cinta, kehangatan, semangat, dorongan, kesabaran dan perhatian kalian selama ini, kalian begitu berarti bagi Bunda; juga untuk Mama dan Papa, Mami dan Bapak, serta seluruh adik-adik dan keponakan-keponakan, terima kasih untuk do’a dan dukungan kalian selama ini. vi
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa masih terdapat kekurangan dalam pengerjaan tesis ini. Tetapi penulis berharap, tesis ini dapat memberikan kontribusi yang berarti dalam perkembangan ilmu dan teknologi yang berkaitan dengan iklim dan cuaca, terutama mengenai interaksi laut-atmosfer. Dan semoga kedepan, kekurangan yang ada dapat dilengkapi.
Bandung, Juli 2008 Penulis
vii
DAFTAR ISI ABSTRAK……….... ............................................................................................... i ABSTRACT……….... ........................................................................................... iii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS……….... .................................................... v KATA PENGANTAR……….... ........................................................................... vi DAFTAR ISI……….... ........................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR ……….... ............................................................................. x DAFTAR TABEL ……….... ................................................................................ xii DAFTAR LAMPIRAN ……….... ....................................................................... xiii Bab I
Pendahuluan .............................................................................................. 1
I.1
Latar Belakang Masalah ........................................................................... 1
I.2
Tujuan ....................................................................................................... 2
I.3
Lingkup Permasalahan .............................................................................. 2
I.4
Sistimatika Tesis ....................................................................................... 3
Bab II
Tinjauan Pustaka ....................................................................................... 5
II.1 Interaksi Laut-Atmosfer ............................................................................ 5 II.2 Model Iklim .............................................................................................. 6 II.3 Parameterisasi ........................................................................................... 8 II.4 Model Laut ................................................................................................ 9 II.5 Model Atmosfer ...................................................................................... 12 II.6 Aplikasi Model Kopel ............................................................................. 15 II.7 Kopel antara MPI-OM dan REMO ......................................................... 17 Bab III Data dan Metodologi............................................................................... 20 III.1 Data ......................................................................................................... 20 III.2 Model MPI-OM ...................................................................................... 22 III.3 Model REMO.......................................................................................... 23 III.4 Masking ................................................................................................... 23 III.5 Mekanisme Kopling ................................................................................ 24 III.6 Aspek Teknis Komputasi Model Kopel .................................................. 25 III.7 Pengolahan Data Hasil Simulasi ............................................................. 28 Bab IV Hasil dan Pembahasan ............................................................................ 31
viii
IV.1 Distribusi Curah Hujan Berdasarkan Variabilitas SST ........................... 31 IV.2 Hubungan antara Tipe Hujan Stratiform dan Tipe Hujan Konvektif dengan Variabilitas SST Lokal ............................................................... 35 IV.3 Analisis Mean Difference Significance ................................................... 40 IV.4 Lead-Lag Correlation antara Variabel Curah Hujan dengan SST, Variabel Panas Laten dengan SST, dan Variabel Radiasi Gelombang Pendek di Permukaan dengan SST ......................................................... 42 Bab V Kesimpulan dan Saran ............................................................................ 47 DAFTAR PUSTAKA……….... ........................................................................... 49
ix
DAFTAR GAMBAR Gambar I.1 .
Pola curah hujan bulanan wilayah Maluku Utara ......................... 2
Gambar I.2.
Lokasi daerah penelitian (Maluku Utara) dan daerah pembanding (Maluku bagian selatan dan Laut Jawa) ........................................ 4
Gambar II.1
Sistim iklim bumi .......................................................................... 7
Gambar III.1
Gambaran regional kopel grid kurvalinier ortogonal MPI-OM resolusi tinggi. Insert: Penempatan kutub utara di wilayah Cina dan kutub selatan di wilayah Australia (sumber: Aldrian, 2003).22
Gambar III.2
Domain model REMO ................................................................ 23
Gambar III.3
Skenario model kopel.................................................................. 25
Gambar III. 4 Aktivitas CPU pada saat simulasi model kopel berjalan. ........... 28 Gambar IV.1
Plot time series curah hujan bulanan wilayah Maluku Utara, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. ............................................................................................ 32
Gambar IV.2
Curah hujan rata-rata antartahunan (1979-1993) wilayah Maluku Utara. ........................................................................................... 34
Gambar IV.3
Curah hujan rata-rata antartahunan (1979-1993) wilayah Maluku bagian selatan dan Laut Jawa. ..................................................... 34
Gambar IV.4
Scatter diagram antartahunan antara perbedaan tipe hujan stratiform dan tipe hujan konvektif yang dinormalisasi terhadap SST .............................................................................................. 36
Gambar IV.5
(a) Slop antartahunan dan (b) koefisien korelasi antartahunan antara tipe hujan stratiform dan tipe hujan konvektif/lokal. ....... 38
Gambar IV.6
Minimum, maksimum, median dan rata-rata curah hujan antartahunan skenario coupled on dan coupled off wilayah Maluku Utara. ............................................................................. 39
Gambar IV.7
Mean difference significance curah hujan antartahunan bulan Maret dan Mei ............................................................................. 41
Gambar IV.8
Mean difference significance tipe hujan konvektif antartahunan bulan Maret dan Mei ................................................................... 41
x
Gambar IV.9
Rata-rata wilayah meandiffsignif (a) curah hujan antartahunan, (b) tipe hujan konvektif antartahunan ............................................... 42
Gambar IV.10 Rata-rata korelasi pentad antartahunan antara variabel-variabel (a) curah hujan dengan SST; (b) panas laten dengan SST; dan (c) radiasi gelombang pendek di permukaan dengan SST. .............. 44
xi
DAFTAR TABEL Tabel IV.1
Korelasi antara skenario coupled on, coupled off dan data pengamatan ................................................................................. 33
Tabel IV. 2
Definisi proses interaksi atau hubungan antara variabel-variabel SST dengan curah hujan, panas laten dan radiasi gelombang pendek di permukaan berdasarkan nilai koefisien korelasi yang berada diatas tingkat signifikan................................................... 45
xii
DAFTAR LAMPIRAN LAMPIRAN A Hasil Simulasi Model Kopel ..................................................... 51 A.1 Plot time series curah hujan bulanan wilayah Maluku bagian selatan, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. . 51 A.2 Plot time series curah hujan bulanan wilayah Laut Jawa, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. .................... 52 A.3 Plot time series SST wilayah Maluku Utara, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. ......................................... 53 A.4 Plot time series SST wilayah Maluku bagian selatan, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. .................... 54 A.5 Plot time series SST wilayah Laut Jawa, (a) tahun 1979 hingga tahun 1986 dan (b) tahun 1987 hingga tahun 1993. ......................................... 55 A.6 SST rata-rata antartahunan (1979-1993) wilayah Maluku Utara, Maluku bagian selatan dan Laut Jawa. ................................................................. 56 A.7 Mean difference significance curah hujan antartahunan ......................... 56 A.8 Mean difference significance tipe hujan konvektif antartahunan ........... 57 A.9 Rata-rata antartahunan (a) radiasi gelombang pendek di permukaan dan panas laten, (b) curah hujan dan SST...................................................... 59 LAMPIRAN B Panduan Simulasi Model Kopel ............................................... 60 B.1 Tahap Compiler Installation (Porting) ................................................... 60 B.2 Tahap Pre-processing ............................................................................. 64 B.3 Tahap Menjalankan Model Kopel .......................................................... 68 B.4 Tahap Post-processing ............................................................................ 73 LAMPIRAN C Script runit ............................................................................. 76
xiii
