BAB II ELEMEN-ELEMEN METEOROLOGI

Transkripsi

1 BAB II ELEMEN-ELEMEN METEOROLOGI A. Pendahuluan Pada bab ini akan dipelajari tentang pengertian dari presipitasi, proses terjadinya presipitasi, cara pengamatan/pengukuran curah hujan serta proses terjadinya dan pengamatan/pengukuran pada evaporasi dan evapotranspirasi. Tujuan yang ingin dicapai (TIK) setelah mengikuti materi ini adalah mahasiswa akan dapat : a. Menjelaskan pengertian presipitasi dengan benar. b. Menyebutkan dan menjelaskan cara pengukuran curah hujan dengan baik. c. Menerangkan pengertian evaporasi dengan benar. d. Menyebutkan dan menjelaskan cara pengukuran evaporasi dengan baik. e. Menghitung besarnya evaporasi berdasarkan contoh soal dengan benar. f. Menerangkan pengertian evapotranspirasi dengan benar. g. Menyebutkan dan menjelaskan cara pengukuran evapotraspirasi dengan baik. B. Penyajian 2.1. Presipitasi Presipitasi adalah nama umum dari uap yang mengkondensasi dan jatuh ke tanah berupa salju, hujan, hujan es dan lain-lain. Presipitasi yang ada di bumi ini berupa : a. Hujan, merupakan bentuk yang paling penting. b. Embun, merupakan hasil kondensasi di permukaan tanah atau tumbuh-tumbuhan dan kondesasi di dalam tanah. c. Kondensasi, di atas lapisan es terjadi jika ada massa udara panas yang bergerak di atas lapisan es. d. Kabut, pada saat terjadi kabut, partikel-partikel air diendapkan di atas permukaan tanah dan tumbuh-tumbuhan. e. Salju dan es. Salah satu bentuk presipitasi yang terpenting di Indonesia adalah hujan. Maka pembahasan mengenai presipitasi ini selanjutnya hanya dibatasi pada hujan saja. Ada 5 buah unsur yang ditinjau, yaitu : 15

2 a. Intensitas I, adalah laju curah hujan = tinggi per satuan waktu, misalnya mm/menit, mm/jam, mm/hari. b. Lama waktu atau durasi t, adalah lamanya curah hujan terjadi dalam menit atau jam. c. Tinggi hujan d, adalah banyaknya atau jumlah hujan yang dinyatakan dalam ketebalan air di atas permukaan datar, dalam mm. d. Frekuensi, adalah frekuensi kejadian terjadinya hujan, biasanya dinyatakan dengan waktu ulang (return period) T. e. Luas, adalah luas geografis curah hujan A, dalam km 2. Hubungan antara intensitas, durasi dan tinggi hujan dinyatakan sebagai berikut : i d = i 0 dt = i Δt (2.1) Intensitas rata-rata i dirumuskan sebagai berikut : d i = t (2.2) Alat Ukur Sistem pengukuran di lapangan seringkali sulit dilakukan secara manual oleh manusia. Untuk keperluan ini maka dibutuhkan suatu instrumentasi yang reliable untuk jangka waktu cukup lama dengan melakukan pengukuran berulangulang secara periodik. Pengukuran parameter - parameter yang berlainan dalam satu waktu bersamaan memerlukan suatu integrasi dari keseluruhan sistem pengukuran kedalam suatu data kolektor. Pada sistem yang lebih luas data ini harus digabungkan pada suatu sistem data base terpusat. Dengan sistem ini maka dapat dihasilkan interpretasi untuk decision support system yang menyeluruh tentang data cuaca. Implementasinya antara lain : menentukan pola cocok tanam sistem pengairan pada pertanian; monitoring sistem irigasi dan bendungan; pemantauan muka air tanah perkotaan; pengendalian banjir dan bencana; dan lain sebagainya. Beberapa pengukuran parameter hidrologi antara lain : 1. Water level 2. Water flow Beberapa pengukuran parameter klimatologi antara lain : 1. Precipitation 2. Evaporation 16

3 3. Air flow 4. Moist & Temperature 5. Radiation 1. Water level Pengukuran ketinggian permukaan air digunakan antara lain pada sungai, danau, laut dan permukaan air tanah. Metoda yang digunakan antara lain : 1.1 Shaft encoder Ketinggian permukaan air diukur menggunakan pelampung yang digantung dengan tali dan pemberat. 17

4 1.2 Depth Level Ketinggian permukaan air diukur menggunakan sensor tekanan dengan asumsi hukum Archimides, bahwa tekanan di bawah permukaan air (p) akan sebanding dengan kedalaman (h) dari permukaan air (p = ρ g h) dengan ρ adalah berat jenis air. 2. Water flow Pengukuran kecepatan aliran air digunakan untuk mengukur besarnya debet air yang mengalir pada suatu aliran air. Metoda yang digunakan antara lain : 2.1 Propeller Kecepatan aliran air diukur menggunakan baling-baling (propeller) yang dikonversikan menjadi kecepatan putaran. 18

5 2.2 Wing pressure Kecepatan aliran air diukur menggunakan sayap (wing) yang menyerupai bentuk sayap pada pesawat terbang. Semakin cepat aliran fluida yang lewat melalui sayap, maka semakin kuat tekanan ke atas yang dikenakan pada sayap ini. Sehingga kecepatan aliran dikonversikan langsung oleh sensor tekanan. 19

6 2.3 Flow pressure Aliran air diarahkan oleh selinder berupa corong (guide). Setelah aliran cukup constant dan rata (luminer), maka kemudian aliran air ini dikonversikan oleh presure meter dengan luas permukaan yang telah ditentukan. 3. Precipitation Pengukuran curah hujan digunakan untuk mengetahui besarnya kapasitas atau volume penyediaan sumber air hujan selama kurun waktu tertentu. Metoda yang digunakan antara lain: 3.1 Water drop Kapasitas curah hujan diukur menggunakan penghitungan tetesan air. Sebelum tetesan air dihitung, air hujan ini ditampung dalam suatu container dengan standar collecting surface. Dibawah container ini terdapat water dropper sehingga besarnya tetesan air bisa dijaga tetap konstan. 3.2 Tipping bucket Kapasitas curah hujan diukur menggunakan penghitungan jumlah tumpahan pada penampung berayun (tipping bucket). Pada alat ini terdapat dua wadah yang diisi bergantian. Setiap kali wadah terisi penuh maka alat ini akan tumpah pada satu sisinya. 20

7 3.3 Collector chamber Kapasitas curah hujan diukur menggunakan penghitungan jumlah pengurasan volume air yang ditampung pada wadah (chamber) dengan volume tertentu. Setiap wadah tersebut terisi penuh, air akan dibuang secara otomatis oleh gaya berat air pada penguras (flusher). 21

8 4.1 Evaporation pan Kapasitas penguapan air diukur menggunakan penghitungan laju pengurangan volume air dalam suatu bak (pan) standar akibat pemanasan global. Volume dan berat jenis air dikonversikan oleh sensor ketinggian air untuk mengukur volume yang simultan dengan sensor berat untuk mengukur berat air di dalam bak standar. 4.2 Blotting paper Kapasitas penguapan air diukur menggunakan penghitungan laju pengurangan volume air dalam suatu gelas ukur yang diletakan diatas kertas serap (absorbent paper). Luas kertas serap yang digunakan berfungsi sebagai media penguapan. 5. Wind Speed & Direction Pengukuran kecepatan dan arah angin digunakan untuk mengetahui probabilitas klimatologi aliran kalor dan curah hujan. Metoda yang digunakan antara lain : 22

9 5.1 Flap & Propeller Kecepatan aliran udara (angin) diukur menggunakan baling-baling (propeller), sedangkan arah angin diukur menggunakan sirip pengarah (flap). 5.2 Ultrasonic array Kecepatan aliran udara (angin) diukur menggunakan sensor tekanan yang sensitif terhadap aliran udara. Sensor ini menggunakan piezzo keramic sebagai sensor ultra sonic. Empat buah sensor disusun secara aray dalam empat arah. Masing-masing arah akan membentuk suatu vektor kecepatan. 23

10 6. Humidity & Temperature Pengukuran suhu dan kelembaban udara digunakan untuk mengetahui probabilitas klimatologi aliran kalor dan curah hujan. Metoda yang digunakan antara lain : 6.1 Thermistor & Capacitive Suhu diukur menggunakan thermistor PT-100, yang memiliki respon cukup linear dalam jangka pengukuran temperatur udara. Kelembaban diukur oleh sepasang keping logam sebagai kapasitor yang dikonversikan oleh frekuensi pada suatu tangki osilator. Sensor-sensor ini ditempatkan dalam sirip pelindung untuk mengeliminasi pengaruh atau ganguan cuaca dan radiasi yang mempengaruhi sistem pengukuran 6.2 Integrated Chip Suhu dan kelembaban diukur menggunakan sensor yang sudah standard dan dengan ketelitian yang cukup baik. Sensor ini sudah diproduksi dalam suatu chip dengan data keluaran berupa digital. Sehingga pengukuran selanjutnya dapat dilakukan secara elektronik. 24

11 7. Radiation Pemantauan aktifitas penyinaran matahari digunakan untuk mengetahui pengaruh terhadap cuaca yang berdampak secara umum. Metoda yang digunakan antara lain : 7.1 Photo Sensitive Intensitas cahaya diukur menggunakan sensor resistif atau semikonduktor peka cahaya. Permukaan luar sensor dilapisi kaca lengkung untuk pelindung air, debu dan ganguan kotoran. 25

12 7.2 Thermocouples Radiasi panas diukur menggunakan thermocouple. Bagian atas digunakan untuk mengukur radiasi global, sedangkan bagian bawah digunakan untuk mengukur radiasi pantul dari tanah. Selain beberapa parameter pengukuran pada komponen air dan udara, seperti telah disebutkan di atas, maka pada tanah pun dapat dilakukan beberapa pengukuran antara lain : Soil temperature, Saturation Potential, Resistivity, Thermal Coductivity dan sebagainya dapat ditambahkan sebagai data pelengkap pada sistem pengukuran global. 8. Data acquisition & Transmission Pengukuran beberapa parameter meteorologi, hidrology, klimatologi dan sebagainya dilakukan oleh masing-masing sensor dengan menggunakan microcontroller sehingga data langsung diubah menjadi data digital dengan standar komunikasi RS-485. Data ini dikirimkan menuju data recorder (logger) melalui media kabel (wire) atau bahkan modem radio, tergantung jarak sensor terhadap data recorder. 26

13 Seluruh instrumen pengukuran menggunakan power suplay dari battery 12V atau dapat pula dengan bantuan sollar panel sebagai alat pengisi daya. Rekaman data pada data recorder disimpan dalam memory card (MMC) atau dapat pula diambil melalui pheripheral USB sebagai alat komunikasi yang cukup umum dipakai saat ini. Secara optional, fasilitas pengambilan data dapat pula dilakukan secara telemetri. Cara ini dilakukan dengan menggunakan sarana telepon (fix phone atau sellular) apabila di daerah titik pengamatan sudah memiliki jaringan telepon. Jaringan telepon sellular yang digunakan biasanya adalah jaringan GSM atau bahkan CDMA dan GPRS. 27

14 Selain untuk mendapatkan informasi data pengukuran, fasilitas ini pun digunakan untuk memeriksa keadaan seluruh sistem pengukuran, yaitu untuk memonitor availability masingmasing unit pengukuran. Contoh sederhana adalah mengetahui kondisi setiap battery, kabel, dan sebagainya. Penggunaan telemetri melalui telepon sellular ataupun fix phone (PSTN) dapat digunakan secara simultan atau bergantian, tergantung cakupan jaringan yang tersedia di lokasi tempat pengukuran Pengukuran Curah Hujan Dalam praktek kita mengenal 2 macam alat untuk mengukur curah hujan yaitu penakar hujan dan pencatat hujan. 28

15 a. Penakar hujan 1) Penakar hujan biasa Penempatan alat ukur ini pada tempat terbuka yang tidak dipengaruhi oleh pohon-pohon atau gedung-gedung. Gambar 2.1 memperlihatkan alat ukur curah hujan biasa, yang pada bagian atas alat ini dipasang 20 cm lebih tinggi dari permukaan tanah yang sekelilingnya ditanami rumput. Alat ini terdiri dari tabung, corong penangkap hujan (diameter bukaan 20 cm), pengukur dan gelas ukur. corong penampung keran gelas ukur Gambar 2.1. Alat penakar hujan biasa Air hujan masuk melalui corong penangkap dan masuk ke dalam gelas ukur yang diletakkan di dalam tabung untuk menerima air hujan yang meluap. Ketelitian dalam pembacaan 1/10 mm. Pembacaan dilakukan 1 x 24 jam dan hasil pembacaan dicatat sebagai curah hujan terdahulu. Curah hujan kurang dari 0,1 mm dicatat 0,00 mm dan untuk membedakan tidak ada curah hujan, daftar curah hujan ditandai dengan (-). 2) Penakar hujan rata tanah Alat penakar hujan rata tanah, dibuat dengan tujuan penangkapan maksimum seperti pada Gambar 2.2. Di sekitar alat penakar harus diberi grill dan brush. Grill adalah semacam sarang terbuat dari logam yang gunanya untuk mencegah tumbuhnya rumput atau tanaman penganggu. Sedangkan brush adalah lapisan lunak yang terbuat dari pasir atau sintel, berupa bubukan sisa pembakaran batu bara, gunanya untuk mencegah percikan (cipratan) air agar tidak masuk ke dalam penakar. Luas penakar A dibuat sama luas dengan permukaan corong biasa. Jenis ini berhasil baik digunakan sebagai pembanding terhadap penakar biasa. 29

16 grill brush corong penampung Gambar 2.2. Penakar hujan rata tanah b. Pencatat hujan 1) Pencatat jungkit (tipping bucket) Pencatat jungkit dibagi dalam 2 ruangan yang diatur sedemikian rupa jika satu terisi kemudian menjungkit dan menjadi kosong, lalu menyebabkan ruangan lainnya berada di posisi yang akan diisi oleh corong. Setiap jungkit menunjukkan suatu tinggi hujan d. Pencatatannya secara otomatis dan bertahap. corong sumbu Gambar 2.3. Pencatat Jungkit 2) Pencatat pelampung Curah hujan yang tertangkap corong (1) tertumpah ke dalam penanmpung (2). Dengan terisinya penampung maka penampung (3) akan terangkat. Pelampung dihubungkan dengan alat penulis yang dapat membuat grafik pada drum pencatat yang diputar dengan pertolongan pegas jam (4). Jika pencatatannya mencapai d = 10 m, air dalam penampung akan tersedot keluar oleh sifon (5), sehingga penampung menjadi kosong yang sekaligus membawa alat penulis turun ke posisi nol. 30

17 1 Keterangan : 1 = corong 2 = penampung 3 = pelampung 4 = drum pencatat 5 = sifon Gambar 2.4. Pencatat pelampung 2.2. Evaporasi Penguapan (evaporation) adalah proses perubahan dari molekul air dalam bentuk zat cair ke dalam bentuk gas. Evaporasi sangat mempengaruhi debit sungai, besarnya kapasitas waduk, besarnya kapasitas pompa untuk irigasi, penggunaan konsumtif untuk tanaman dan lainlain. Besarnya faktor meteorologi yang mempengaruhi besarnya evaporasi adalah : a. Radiasi matahari, perubahan dari keadaan cair menjadi gas ini memerlukan energi berupa panas laten untuk evaporasi. b. Angin, jika air menguap ke atmosfir maka lapisan batas antara permukaan tanah dan udara menjadi jenuh oleh uap air sehingga proses penguapan berhenti. Agar proses tersebut dapat berjalan terus, lapisan jenuh harus diganti dengan udara kering yang terjadi jika ada angin. c. Kelembaban relatif, jika kelembaban relatif naik maka kemampuan udara untuk menyerap air akan berkurang sehingga laju evaporasinya menurun. d. Suhu, jika suhu udara dan tanah cukup tinggi maka proses evaporasi berjalan lebih cepat. 31

18 Pengukuran Evaporasi Ada beberapa alat ukur yang bisa digunakan antara lain : a. Atmometer Atmometer adalah alat standar untuk mengukur evaporasi dari permukaan basah. Alat ini digunakan untuk tujuan-tujuan klimatologis guna mengetahui kemampuan mongering udara. Permukaan basah diberikan oleh benda berpori yang dibasahi air, yang ditempatkan dalam suatu wadah. Ada beberapa jenis atmometer yaitu : 1) Atmometer Piche 2) Atmometer Livingstone 3) Atmometer Black Bellani b. Panci penguapan Panci evaporasi dibuat untuk meniru kondisi evaporasi permukaan air bebas. Panci evaporasi dapat dipasang dengan posisi sebagai berikut : 1) di atas permukaan tanah 2) ditanam dalam tanah 3) mengambang di atas air c. Mengukur radiasi matahari Kebanyakan stasiun pencatat meteorologi dilengkapi dengan radiometer untuk mengukur gelombang pendek radiasi yang masuk dari matahari/angkasa dan radiasi netto yang dipantulkan. Radiasi netto ini sangat penting untuk studi tentang evaporasi. d. Mengukur kecepatan angin Kecepatan angin diukur dengan anemometer, sedangkan arah angin dengan kipas Penghitungan Evaporasi Rumus empiris Penman untuk menghitung evaporasi : V E = 0,35( ea ed )(1 + ) (2.3) 100 keterangan : E = evaporasi (mm/hari) e a e d V = tekanan uap jenuh pada suhu rata-rata harian (mm/hg) = tekanan uap sebenarnya (mm/hg) = kecepatan angin pada ketinggian 2 m di atas permukaan tanah (mile/hari) 32

19 Tabel 2.1. Tabel tekanan uap jenuh 0 C p(mm/hg) -60 0, , , , ,220 0 (air+es+uap) 4, , , , , , , , ,0 (1 atm) Contoh : Suhu bola kering 30 C, suhu bola basah 26 C, kelembaban relatif 68% dan kecepatan angin 1 m/dt. Penyelesaian : Suhu bola kering 30 C, dari Tabel 2.1 diperoleh tekanan uap jenuh pada suhu rata-rata harian, e a = 31,86 mm/hg. Tekanan uap sebenarnya, e d = 31,86 mm/hg x 68% = 21,65 mm/hg. Kecepatan angin = {1 m/dt x 24 jam x 60 menit x 60 detik}/1600 m/mile = 54 mile/hari Diperoleh besarnya evaporasi E : E = 0,35( e a V ed )(1 + ) 100 E = 0,35(31,86 21,65)( ) = 5mm / hari 33

20 2.3. Evapotranspirasi Evapotranspirasi (evapotranspiration) adalah penguapan yang terjadi dari permukaan lahan yang tertutup dengan tumbuhan. Jumlah kadar air yang hilang dari tanah oleh evapotranspirasi tergantung pada : a. persediaan air yang cukup (hujan dan lain-lain) b. faktor-faktor iklim seperti suhu, kelembaban dan lain-lain. c. tipe dan cara kultivasi tumbuh-tumbuhan tersebut Penghitungan Evapotranspirasi Ada beberapa metode yang dipakai untuk menghitung besarnya evapotranspirasi atau memperkirakan besarnya evapotranspirasi, antara lain : a. Cara Blaney Criddle yang dirubah : K. P(45,7. t + 813) U = (2.4) 100 keterangan : K = K t x K c K t = 0,0311t + 0,240 U = banyaknya evapotranspirasi bulanan (mm) t = suhu udara rata-rata bulanan ( C) K c = koefisien tanaman bulanan P = persentase jam siang bulanan dalam setahun (%) b. Cara Thornthwaite e = c. t a (2.5) keterangan : e = evapotranspirasi potensial bulanan (cm/bulan) c dan a= koefisien yang tergantung dari tempat t = suhu udara rata-rata bulanan ( C) a = 0, I 3 0, I 2 + 0,01792 I + 0,49239 (2.6) 1, t I = (2.7) i= 1 5 I adalah jumlah 12 bulan dari suhu udara rata-rata bulanan dibagi 5. 34

21 C. Penutup Soal Soal : 1. Jelaskan pengertian dari presipitasi! 2. Sebut dan jelaskan cara pengukuran curah hujan! 3. Jelaskan pengertian evaporasi dan evapotranspirasi! 4. jelaskan cara pengukuran/pengamatan evaporasi dengan panci evaporasi! 5. Diketahui suhu bola kering 20 C, tekanan uap jenuh pada suhu rata-rata 17,55, suhu bola basah 27 C, kelembaban relatif 64% dan kecepatan angin 1 m/dt. Hitung besarnya evaporasi! Daftar Pustaka Soemarto,C.D.,1999, Hidrologi Teknik, Erlangga, Jakarta Sosrodarsono, 2003, Hidrologi untuk Pengairan, Departemen pekerjaan Umum dan Tenaga Listrik. Daftar Istilah Meteorologi Uap Gas Frekuensi Grill Brush Sifon Transpirasi Kelembaban 35