STUDI POLA KONVEKSI DIURNAL DI PULAU SUMATRA MENGGUNAKAN MODEL WEATHER RESEARCH AND FORECASTING-ADVANCED RESEARCH WRF (WRF-ARW)
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
NURJANNA JOKO TRILAKSONO NIM : 22405015 Program Studi Sains Kebumian
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007
STUDI POLA KONVEKSI DIURNAL DI PULAU SUMATRA MENGGUNAKAN MODEL WEATHER RESEARCH AND FORECASTING-ADVANCED RESEARCH WRF (WRF-ARW) Oleh Nurjanna Joko Trilaksono NIM : 22405015
Program Studi Sains Kebumian Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Tanggal ...........................................2007 Pembimbing __________________ (Dr. Tri Wahyu Hadi)
Abstrak STUDI POLA KONVEKSI DIURNAL DI PULAU SUMATRA MENGGUNAKAN MODEL WEATHER RESEARCH AND FORECASTING-ADVANCED RESEARCH WRF (WRF-ARW) Oleh
Nurjanna Joko Trilaksono NIM : 22405015 Dalam penelitian ini pola konveksi diurnal di Pulau Sumatra ditelaah dengan menggunakan data pengamatan satelit geostationer (GMS 5, GOES 9 dan MT-SAT) pada kanal inframerah (IR1) dan model prediksi cuaca numerik. Model numerik yang dipakai adalah Weather Research and Forecasting-Advanced Research WRF (WRF-ARW) yang dikembangkan oleh Mesoscale and Microscale Meteorology Division dari National Center for Atmospheric Research, yang merupakan model Euler nonhidrostatik, dan menggukanan set persamaan yang sepenuhnya kompresibel. Syarat awal dan syarat batas untuk simulasi didapatkan dari data Global Tropospheric Analysis yang dikeluarkan oleh NCEP. Analisis data satelit meninjau empat periode dengan skala konveksi berbeda di atas Pulau Sumatra yang diidentifikasi berdasarkan data Outgoing Longwave Radiation (OLR). Analisis komposit data temperatur puncak awan (yang diturunkan dari citra IR1) dari tahun 2002-2006 menunjukkan adanya pergeseran puncak konveksi diurnal baik secara temporal maupun spasial untuk tiap-tiap skala konveksi, khususnya fase puncak konveksi darat. Pergeseran ini juga menunjukkan adanya peran penting pulau-pulau kecil yang ada disepanjang bagian barat Pulau Sumatra. Distribusi spasial dari konveksi diurnal menunjukkan secara jelas perbedaan kemunculan fase puncak konveksi diurnal di sepanjang Pulau Sumatra dari hari ke hari. Simulasi dengan model numerik dilakukan untuk menelaah pola konveksi diurnal pada beberapa hari di bulan November 2006 yang mewakili periode dengan konveksi skala besar. Uji konsistensi luaran model dilakukan untuk memilih kombinasi parameterisasi yang dianggap paling baik untuk studi kasus ini. Dari beberapa percobaan didapatkan bahwa kombinasi parameterisasi yang melibatkan parameterisasi mikrofisika YSU dan parameterisasi lapisan batas planeter MRF. memberikan hasil paling baik, yang kemudian digunakan di dalam simulasi kasus. Hasilnya menunjukkan bahwa model berhasil mensimulasikan puncak fase konveksi diurnal di darat yang diindikasikan oleh nilai koefisien korelasi temperatur puncak awan di atas 0,6. Namun demikian, fase konveksi di laut belum dapat disimulasikan dengan baik. Telaah lebih lanjut juga menunjukkan bahwa ketersediaan data (radiosonde) lokal cukup mempengaruhi kinerja model. Hal ini menunjukkan bahwa model telah mampu memperhitungkan efek topografi Pulau Sumatra yang kompleks tetapi diperlukan kajian lebih lanjut untuk mengatasi kelemahan
model dalam mensimulasikan fase konveksi di laut. Kata kunci: konveksi diurnal, model WRF-ARW, temperatur puncak awan.
ABSTRACT STUDY OF DIURNAL PATTERNS OF CONVECTION IN SUMATRA ISLAND USING WEATHER RESEARCH AND FORECASTING-ADVANCED RESEARCH WRF (WRF-ARW) MODEL Nurjanna Joko Trilaksono NIM : 22405015 The diurnal patterns of convection over Sumatra Island have been investigated from geostationary satellite data (GMS 5, GOES 9 and MT-SAT) at infrared channel (IR1) and numerical weather prediction model simulations. The Weather Research and ForecastingAdvanced Research WRF (WRF-ARW) developed and maintained by the Mesoscale and Microscale Meteorology Division of NCAR, which consist of Euler non-hydrostatic and fully compressible set of equation, has been used in the numerical simulation. Both initial and boundary condition for the simulations are taken from Global Tropospheric Analysis data operated by NCEP. From the satellite data, four periods of different convection scales over Sumatra Island has been identified based on Outgoing Longwave Radiation (OLR) data. Cloud top temperature composites (derived from IR1 images) from 2002-2006 suggest that there are temporal and spatial shifts for each convection scale, particularly for the phase of convection peak over land. The spatial shifts seem to indicate the important role of small islands along the western part of Sumatra Island. Moreover, the detailed daily convective activities over Sumatra Island show stronger random pattern. The numerical model simulations have been used to investigate diurnal patterns of convection for several days in November 2006 during the period of large-scale convection. The model output consistency test has been carried out to choose the best combination of parameterizations in this study. From several experiments, it is found that a combination involving YSU microphysics and MRF planetary boundary layer parameterization give the best result. Using this combination, the model successfully simulated diurnal convection peak over the land, which was indicated by correlation coefficient of cloud top temperature over 0.6. However, the peak phase over the sea has not been yet well simulated. Further investigation show that the local data (radiosonde) availability affects the model performance. These results indicate that the model is capable to take effects of complex topography of Sumatra Island into account but further study is needed to overcome the weakness of the model in simulating the convective phase in the sea. Keywords: diurnal convection, WRF-ARW model, cloud top temperature.
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.
Dipersembahkan kepada kedua orang tua, Windy DJ, Bangsa dan Almamater And to whom it may concern
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis sangat berterima kasih pada Dr. Tri Wahyu Hadi sebagai Pembimbing, atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini. Dan juga sebagai Dosen Wali selama penulis menjadi mahasiswa S2. Penulis mengucapkan terima kasih pada Toyoshi Shimomai dari Interdisciplinary Faculty of Science and Engineering, Shimane University yang telah bersedia menyediakan data ORG yang berguna dalam penelitian ini. Ucapan terima kasih tak lupa disampaikan kepada rekan-rekan S2; M. Al Azhar, Rima Rachmayani, Winda D. Putri, Nia Maharani, Lestari C.D dan rekan-rekan S2 saints atmosfer; Ressy Oktivia, Erwins E.S. Makmur, Endarwin, Edison Kurniawan, dan juga teman-teman S2 seangkatan yang lainnya, atas diskusi-diskusinya dengan penulis selama menempuh pendidikan S2. Dan juga kepada rekan-rekan anggota lab. WCPL; I Dewa G. Junaedhi, Riko Aljabaro, Hengki E.P dan juga Chandrasa S. Dharma yang telah bersedia berdiskusi dengan penulis. Dan tak lupa pada kawan lama yang masih selalu memberikan bantuannya, Yan F. Permadhi. Terima kasih disampaikan kepada Institut Teknologi Bandung atas bantuan Beasiswa Pendidikan Pascasarjana (BPPs) melalui program Voucher ITB yang diterima selama pendidikan program magister ini.
DAFTAR ISI ABSTRAK.....................................................................................................................i ABSTRACT.................................................................................................................iii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS..........................................................................v UCAPAN TERIMA KASIH.......................................................................................vii DAFTAR ISI..............................................................................................................viii DAFTAR LAMPIRAN.................................................................................................x DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI....................................................................xi DAFTAR TABEL......................................................................................................xiv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG.............................................................xv Bab I Pendahuluan....................................................................................................1 I.1 Latar Belakang......................................................................................1 I.2 Maksud dan Tujuan Penelitian..............................................................3 I.3 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah...................................................3 I.4 Sistematika Pembahasan.......................................................................3 Bab II Tinjauan Pustaka............................................................................................4 II.1 Konveksi...............................................................................................4 II.2 Siklus Diurnal.......................................................................................6 II.3 Pengaruh Topografi...............................................................................9 Bab III Data dan Metodologi..................................................................................11 III.1 Data.....................................................................................................11 III.2 Metodologi..........................................................................................14 Bab IV Hasil dan Analisis.......................................................................................24 IV.1 Pola Konveksi Diurnal........................................................................24 IV.2 Analisis Pola Konveksi Diurnal dari Luaran Model...........................34 IV.3 Uji Sensitifitas Pembentukan Pola Konveksi Diurnal........................44 Bab V Kesimpulan dan Saran.................................................................................54 V.1 Kesimpulan.........................................................................................54 V.2 Saran....................................................................................................55 DAFTAR PUSTAKA.................................................................................................56
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Lampiran B Lampiran C
Lampiran D
Daftar Variabel Luaran WRF-ARW...................................................62 Skrip Fortran untuk Menghitung CTT................................................67 Distribusi Spasial Pola Konveksi Diurnal Pulau Sumatra..................68 C.1 Distribusi spasial indeks konvektif pada bulan Januari. Keterangan yang lain sama seperti pada Gambar IV.3..........................................68 C.2 Distribusi spasial indeks konvektif pada bulan April. Keterangan yang lain sama seperti pada Gambar IV.3..........................................69 C.3 Distribusi spasial indeks konvektif pada bulan Juli. Keterangan yang lain sama seperti pada Gambar IV.3..........................................70 Perbandingan Profil Vertikal Luaran Model dengan Radiosonde......71 D.1 Perbandingan parameter luaran model dengan data radionsonde stasiun Padang, tanggal 7 November 2006 pukul 00 UTC untuk kombinasi C1. Garis padat hitam: radiosonde, putus-putus merah: model...................................................................................................71 D.2 Keterangan sama dengan Lampiran D.1 kecuali menggunakan kombinasi parameterisasi C2..............................................................72 D.3 Keterangan sama dengan Lampiran D.1 kecuali menggunakan kombinasi parameterisasi C3..............................................................73 D.4 Keterangan sama dengan Lampiran D.1 kecuali menggunakan kombinasi parameterisasi C4..............................................................74 D.5 Keterangan sama dengan Lampiran D.1 kecuali menggunakan kombinasi parameterisasi C5..............................................................75
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II.1 Tahap dewasa ideal dari MCS mengilustrasikan wilayah presipitasi konvektif dan stratiform dengan mengasosiasikan profil pemanasan (Sumber: Johnson 1986)........................................................................6 Gambar II.2 Skema pembentukan presipitasi dibangkitkan secara diurnal dilepas pantai Borneo (Sumber: Houze et al. 1981)..........................................8 Gambar II.3 Ilustrasi propagasi gelombang gravitas dibangkitkan secara termal oleh pemanasan di atas elevasi topografi dan inisialisasi konveksi malam hari di lepas pantai (Sumber: Mapes et al. 2003)..................................9 Gambar III.1 Daerah perhitungan untuk analisis penampang melintang....................15 Gambar III.2 Topografi Pulau Sumatra......................................................................16 Gambar III.3 Koordinat η ARW.................................................................................18 Gambar III.4 Grid horizontal dan vertikal pada ARW...............................................21 Gambar III.5 Peta daerah simulasi. Kode-kode d01, d02 dan d03 di dalam garis putusputus menunjukkan domain model satu, dua dan tiga...............23 Gambar IV.1 Diagram Hovmöller indeks konvektif dari OLR pada periode Sep 2005 – Ags 2006 rata-rata untuk 6ºLU-6ºLS...............................................25 Gambar IV.2 Pola diurnal untuk empat bulan yang berbeda yaitu Januari, April, Juli dan November. Lingkaran putus-putus menunjukkan puncak maksimum konveksi. Garis-garis melintang putus-putus menunjukkan waktu pada saat terjadinya puncak maksimum konveksi di daerah garis pantai...................................................................................................28 Gambar IV.3 Distribusi spasial indeks konvektif pada bulan November komposit selama lima tahun (2002-2006). Huruf a), b), c), d), e), f), g) dan h) menunjukkan waktu yg berbeda, 07LT, 10LT, 13LT, 16LT, 19LT, 22LT, 01LT dan 04LT berturutan.......................................................31 Gambar IV.4 Pola konveksi bulan November 2006. Huruf a-h menunjukkan keterangan jam seperti pada Gambar IV.3..........................................32 Gambar IV.5 Indeks konvektif pengamatan satelit pada tanggal 7 November 2006. Huruf a-h menunjukkan keterangan jam seperti pada Gambar IV.3...33 Gambar IV.6 Profil vertikal data radiosonde dan FNL pada tanggal 7 November 2006 pukul 00 UTC yang belum difilter. Gambar atas untuk stasiun Padang, gambar bawah stasiun Singapura. Variabel yang diplot dari kiri ke kanan adalah komponen angin u dan v dan temperatur...........35 Gambar IV.7 Sama dengan Gambar IV.6, kecuali data telah difilter menggunakan Lanczos dengan pembobotan 9 titik....................................................36 Gambar IV.8 Diagram Taylor perbandingan kombinasi parameterisasi pada Tabel IV.1. untuk stasiun Padang/Tabing dan Singapura/Changi.................41 Gambar IV.9 Diagram curah hujan ORG bulan November 2006. Garis putus-putus menunjukkan periode tanggal simulasi kasus.....................................42 Gambar IV.10 Perbandingan data IR1 dengan luaran model. Plot pada tanggal 12 November 2006 pukul 22 LT. Gambar atas: data IR1, bawah: luaran
model. Gambar kiri: resolusi 10 km, kanan: resolusi 5 km.................48 Gambar IV.11 Kontur korelasi antara data IR1 dan luaran model terhadap waktu selama 24 jam untuk wilayah kajian. Atas: resolusi 10 km, bawah: resolusi 5 km. Daerah arsiran menunjukkan korelasi lebih dari 0,6. Garis putus-putus: korelasi negatif, garis tebal: korelasi 0, garis padat: korelasi positif.....................................................................................48 Gambar IV.12 Kontur korelasi antara jarak dan waktu. Atas: resolusi 10 km, tengah: resolusi 5 km, bawah: plot ketinggian dan jarak untuk wilayah kajian.Blok hitam menunjukkan tidak ada data IR1. Keterangan lain sama seperti Gambar IV.11.................................................................49 Gambar IV.13 Diagram batang pola korelasi daerah kajian terhadap waktu. Atas: resolusi 10 km, bawah: resolusi 5 km.................................................49 Gambar IV.14 Kontur waktu lag koefisien korelasi maksimum untuk daerah didalam garis putus-putus pada Gambar IV.10. a) dan b) menggunakan PBL MRF, c) dan d) menggunakan PBL YSU. a) dan c) resolusi 10 km, b) dan d) resolusi 5 km............................................................................50 Gambar IV.15 Kontur nilai koefisien korelasi maksimum untuk Gambar IV.14. Keterangan lain sama dengan Gambar IV.14......................................51 Gambar IV.16 Kontur topografi untuk daerah dalam kotak garis putus-putus pada Gambar IV.10......................................................................................52 Gambar IV.17 Pembagian wilayah untuk analisis peran data. Kode-kode WIKK, WSSS, WIMG, 48650 dan WMKP menunjukkan kode stasiun Pangkal Pinang, Singapura/Bandara Changi, Padang/Tabing, Sepang dan Penang/Bayan Lepas berurutan...........................................................52 Gambar IV.18 Kontur koefisien korelasi untuk daerah A, B dan C pada Gambar IV.17. Daerah diarsir menunjukkan koefisien korelasi lebih besar dari 0,6. Garis putus-putus menunjukkan koefisien korelasi negatif. Huruf a), b) dan c) mewakili daerah A, B dan C berturutan..........................53
DAFTAR TABEL Tabel IV.1 Kombinasi Parameterisasi Mikrofisika dan Lapisan Batas Planeter........37 Tabel IV.2 Hasil Statistik Perbandingan Kombinasi Parameterisasi pada Tabel IV.140 Tabel IV.3 Tanggal simulasi kasus.............................................................................42
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman AFWA Air Force Weather Agency 17 ARW Advanced Research WRF 3 BMG Badan Meteorologi dan Geofisika 13 BMI Benua Maritim Indonesia 1 BPPT Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi 13 BT Bujur Timur 3 FAA Federal Aviation Administration 17 FNL Final Analysis 12 FSL Forecast Systems Laboratory 16 TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission 1 GMS Geostationary Meteorological Satellite 1 GOES Geostationary Operational Environmental Satellite 1 GRIB1 Gridded Binary version 1 13 IR Inframerah 1 JAMSTEC Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology 13 LAPAN Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional 13 LS Lintang Selatan 3 LS Leading Stratiform 4 LT Local Time 26 LU Lintang Utara 3 MCC Mesoscale Convective Complexes 4 MCS Mesoscale Convective System 4 MCV Mesoscale Convective Vortex 5 MM5 Pennsylvania State / NCAR Mesoscale Model Version 5 2 MRF Medium Range Forecast Model 21 MTSAT Multi-Functional Transport Satellite 11 NAME North American Monsoon Experiment 7 NCAR National Center for Atmospheric Research 2 NCEP National Centers for Environmental Prediction 13 NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration 16 OLR Outgoing Longwave Radiation 4 ORG Optical Rain Gauge 13 PBL Planetary Boundary Layer 22 PGM Portable Gray Map 12 PS Parallel Stratiform 5 PSU Pennsylvania State University 2 PV Potential Vorticity 5 RK3 Runge-Kutta orde ketiga 19 TAMEX Taiwan Mesoscale Experiment 7
TS Trailing Stratiform 4 UTC Universal Time, Coordinated 34 WMO World Meteorological Organization 13 WMONEX Winter Monsoon Experiment 6 WRF Weather Research and Forecasting Model 3 WSM3 WRF Single-Moment 3-class 22 WSM6 WRF Single-Moment 6-class 22 YSU Yonsei University 22 LAMBANG CTT Temperatur puncak awan (cloud top temperature) 21 F Bentuk gaya untuk U, V W, Θ dan Qm 19 Ic Indeks konveksi 11 Qm Kopling variabel udara lembab umum 19 RH Kelembaban relatif (Relatif humidity) 23 SST Sea surface temperature 53 T Temperatur 23 Tbb Temperature black body 12 U Kopling komponen kecepatan horizontal arah x 19 V Kopling komponen kecepatan horizontal arah y 19 W Kopling komponen kecepatan vertikal 19 g Percepatan gravitas 19 m Faktor skala peta 19 p Tekanan 17 Perturbasi tekanan 18 ph Komponen tekanan hidrostatik 17 phs Komponen tekanan hidrostatik pada permukaan 17 pht Komponen tekanan hidrostatik pada puncak koordinat koordinat vertikal 17 qc Mixing ratio untuk awan 19 qm Mixing ratio udara lembab umum 19 qr Mixing ratio untuk hujan 19 qv Mixing ratio untuk uap air 19 u Komponen kecepatan horizontal arah x 19 v Komponen horizontal kecepatan arah y 19 w Komponen kecepatan vertikal 19 z Ketinggian 18 Kopling temperatur potensial 19 Kopling kecepatan koordinat 19 Invers densitas udara 18 Invers densitas udara referensi 18 Perturbasi invers densitas udara 18 Invers densitas udara kering 18 η Koordinat vertikal tekanan hidrostatik mengikuti terrain 17
Temperatur potensial 19 µ Selisih tekanan hidrostatik antara permukaan dan puncak 17 Selisih tekanan hidrostatik udara kering pada permukaan dan puncak 17 Geopotensial 17 Geopotensial referensi 17 Perturbasi geopotensial 17
